{"id":134351,"date":"2020-04-27T09:41:21","date_gmt":"2020-04-27T08:41:21","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=134351"},"modified":"2020-04-27T09:41:21","modified_gmt":"2020-04-27T08:41:21","slug":"produccion-de-h2-mediante-ciclos-termoquimicos-basados-en-perovskitas-empleando-energia-solar-de-concentracion","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2020\/04\/27\/134351","title":{"rendered":"Producci\u00f3n de H2 mediante ciclos termoqu\u00edmicos basados en perovskitas empleando energ\u00eda solar de concentraci\u00f3n"},"content":{"rendered":"

Autores:\u00a0<\/strong><\/p>\n

Alejandro P\u00e9rez, Mar\u00eda Orfila, Mar\u00eda Linares, Ra\u00fal Molina, Ra\u00fal Sanz, Javier Marug\u00e1n, Juan \u00c1ngel Botas<\/strong><\/p>\n

Grupo de Ingenier\u00eda Qu\u00edmica y Ambiental, Universidad Rey Juan Carlos <\/strong><\/p>\n

C\/ Tulip\u00e1n, s\/n, 28933, M\u00f3stoles, Madrid.<\/strong><\/p>\n

La volatilidad en los precios de los combustibles f\u00f3siles (carb\u00f3n, petr\u00f3leo y gas natural), el agotamiento de las reservas y la emisi\u00f3n de gases contaminantes que contribuyen al calentamiento global de la atm\u00f3sfera son tres de las mayores preocupaciones a nivel mundial. Por este motivo resulta necesario buscar fuentes de energ\u00eda alternativas que sean limpias y no contaminantes, las conocidas como energ\u00edas renovables como las energ\u00edas e\u00f3lica, solar, hidr\u00e1ulica, geot\u00e9rmica. Pero tambi\u00e9n es necesario buscar combustibles alternativos.<\/span><\/p>\n

Es en este punto donde aparece el inter\u00e9s de utilizar el hidr\u00f3geno como vector energ\u00e9tico capaz de producir energ\u00eda de manera limpia y sostenible (1)<\/strong>. No obstante, el hidr\u00f3geno no se encuentra como materia prima libre en la Tierra, sino que es necesaria su obtenci\u00f3n a partir de otros compuestos que lo contienen en su composici\u00f3n, como agua, gas natural e incluso otros hidrocarburos ligeros. Pero siempre teniendo en cuenta que, para que el hidr\u00f3geno sea realmente un combustible alternativo, su producci\u00f3n debe ser sostenible.<\/span><\/p>\n

Actualmente hay muchos grupos de investigaci\u00f3n trabajando en la b\u00fasqueda de metodolog\u00edas alternativas para la producci\u00f3n de hidr\u00f3geno, siendo uno de los m\u00e9todos m\u00e1s destacados su producci\u00f3n a partir de agua como materia prima y usando la radiaci\u00f3n solar como fuente de energ\u00eda. Utilizando estos recursos, son tres los m\u00e9todos con mayor desarrollo para la obtenci\u00f3n de hidr\u00f3geno descomponiendo la mol\u00e9cula de agua: procesos fotoqu\u00edmicos (usan los fotones de la luz), electroqu\u00edmicos (usan energ\u00eda el\u00e9ctrica) y termoqu\u00edmicos (usan energ\u00eda t\u00e9rmica) (2)<\/strong>.<\/span><\/p>\n

Para llevar a cabo la descomposici\u00f3n t\u00e9rmica del agua en sus componentes hidr\u00f3geno y ox\u00edgeno con conversiones significativas, son necesarias temperaturas superiores a 2500\u00baC. Adem\u00e1s, se necesitan t\u00e9cnicas que eviten la recombinaci\u00f3n del hidr\u00f3geno y el ox\u00edgeno a las elevadas temperaturas de operaci\u00f3n (3)<\/strong>. Sin embargo, mediante los ciclos termoqu\u00edmicos tambi\u00e9n se puede conseguir la descomposici\u00f3n del agua en sus componentes, y trabajando a menores temperaturas. En la figura 1<\/em><\/strong> se muestra el esquema de un ciclo termoqu\u00edmico basado en \u00f3xidos met\u00e1licos (MOn<\/sub>). En la primera etapa del ciclo, el \u00f3xido es calentado con la energ\u00eda solar de concentraci\u00f3n produci\u00e9ndose su reducci\u00f3n t\u00e9rmica acompa\u00f1ada de la producci\u00f3n de ox\u00edgeno. En la segunda etapa del ciclo, el \u00f3xido reducido (MOn-\u03b4<\/sub>) reacciona con agua, produciendo hidr\u00f3geno y regenerando el \u00f3xido inicial. De esta manera, el hidr\u00f3geno y el ox\u00edgeno se obtienen en dos corrientes separadas, evitando su recombinaci\u00f3n.<\/span><\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Figura 1. Esquema global de un ciclo termoqu\u00edmico basado en \u00f3xidos met\u00e1licos MOn<\/sub>\/MOn-\u03b4<\/sub>.<\/em><\/span><\/p>\n

El Grupo de Ingenier\u00eda Qu\u00edmica y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos trabaja en la b\u00fasqueda y desarrollo de \u00f3xidos met\u00e1licos que puedan ser empleados en estos ciclos termoqu\u00edmicos, en el marco de proyectos de investigaci\u00f3n financiados por la Comunidad de Madrid como SOLGEMAC<\/em>, ALCCONES<\/em> y ACES2030<\/em>. Entre los materiales m\u00e1s estudiados, destaca el \u00f3xido de cerio puro y modificado con otros metales (4)<\/strong>, sin embargo, su alta temperatura de operaci\u00f3n (1300-1500\u00baC) promueve la b\u00fasqueda de alternativas, entre las que destacan las perovskitas. Las perovskitas, son unos materiales que reciben su nombre en honor al mineralogista Lew A. Perowski que los descubri\u00f3 en 1839 como un mineral de composici\u00f3n CaTiO3<\/sub> (5)<\/strong>. La estequiometr\u00eda general de las perovskitas es ABO3<\/sub>, siendo \u201cA\u201d un metal alcalinot\u00e9rreo o lant\u00e1nido y \u201cB\u201d un metal de transici\u00f3n, ambos cationes de tama\u00f1os diferentes (6)<\/strong>, siendo c\u00fabica la estructura m\u00e1s com\u00fan como se puede observar en la figura 2<\/em><\/strong>.<\/span><\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Figura 2. Estructura de una perovskita tipo c\u00fabica ABO3<\/sub>.<\/em><\/span><\/p>\n

A continuaci\u00f3n se indica el comportamiento que presenta este tipo de material en las reacciones que se producen en ciclos termoqu\u00edmicos redox:<\/span><\/p>\n

\u00a0ABO3<\/sub> <\/em>\u279f<\/em> ABO3-\u03b4<\/sub> + \u03b4\/2<\/em>\u00a0O2<\/sub>\u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 <\/em>(Ec. 1)\u00a0<\/span><\/p>\n

\u00a0ABO3-\u03b4<\/sub> + \u03b4<\/em>\u00a0H2<\/sub>O <\/em>\u279f<\/em> ABO3<\/sub> + <\/em>\u03b4 H2<\/sub>\u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0<\/em>(Ec. 2)\u00a0<\/span><\/p>\n

Donde \u201c\u03b4\u201d es el grado de reducci\u00f3n que se produce. En la primera etapa, la perovskita se reduce t\u00e9rmicamente de forma que libera parte de los \u00e1tomos de ox\u00edgeno de su estructura, formando de este modo vacantes de ox\u00edgeno en la misma. En la segunda etapa, la especie oxidante (H2<\/sub>O) se disocia formando los compuestos que se desean con este tipo de proceso, H2<\/sub>, y logrando as\u00ed la reoxidaci\u00f3n de la perovskita a su estado inicial.<\/span><\/p>\n

No obstante, tambi\u00e9n existen estructuras de perovskitas complejas, en las que los cationes A y B pueden ser parcialmente sustituidos por otros distintos (A1-x<\/sub>A\u2019x<\/sub>B1-x<\/sub>B\u2019x<\/sub>O3<\/sub>) permitiendo realizar numerosas combinaciones en busca de mejorar las propiedades redox y conseguir que la temperatura requerida para el proceso termoqu\u00edmico sea la menor posible (7)<\/strong>.<\/span><\/p>\n

Es en este punto donde se centran las \u00faltimas investigaciones del grupo, que, adem\u00e1s de demostrar con estudios realizados con perovskitas comerciales de tipo La1-x<\/sub>Srx<\/sub>MeO3<\/sub> (Me = Mn, Co y Fe) su aplicaci\u00f3n en la producci\u00f3n de hidr\u00f3geno en ciclos termoqu\u00edmicos (8)<\/strong>, se est\u00e1n sintetizando diferentes formulaciones de perovskitas empleando m\u00e9todos de s\u00edntesis que resulten \u00f3ptimos y eficientes. Entre los m\u00e9todos de s\u00edntesis usados destacan el m\u00e9todo Pechini, basado en una s\u00edntesis del tipo sol-gel, y la s\u00edntesis por mezcla f\u00edsica de alta intensidad. Tras las s\u00edntesis de las perovskitas, \u00e9stas son caracterizadas mediante diferentes t\u00e9cnicas y probadas en reacci\u00f3n en una instalaci\u00f3n experimental como la que se muestra esquem\u00e1ticamente en la figura 3<\/em><\/strong>, que permite alcanzar la temperatura de reacci\u00f3n y registrar de forma continua la producci\u00f3n de hidr\u00f3geno y ox\u00edgeno.<\/span><\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Figura 3. Esquema de la instalaci\u00f3n experimental de reacci\u00f3n con horno tubular de alta temperatura: a) configuraci\u00f3n de la etapa de reducci\u00f3n, y b) configuraci\u00f3n de la etapa de hidr\u00f3lisis (8).<\/em><\/span><\/p>\n

Por todo ello, puede decirse que las perovskitas se presentan como unos materiales con gran inter\u00e9s y proyecci\u00f3n en la producci\u00f3n de hidr\u00f3geno mediante ciclos termoqu\u00edmicos que usan energ\u00eda solar, debido a su gran variedad de composiciones y de m\u00e9todos de s\u00edntesis. Por otra parte, adem\u00e1s de su aplicaci\u00f3n en estos procesos, las perovskitas se presentan como materiales potencialmente sustitutos del silicio en la producci\u00f3n de las c\u00e9lulas fotovoltaicas para placas solares por lo que nos encontramos ante una familia de materiales con un gran abanico de oportunidades y posibilidades de cara al futuro de las energ\u00edas renovables.<\/span><\/p>\n

Bibliograf\u00eda:<\/strong><\/p>\n

1\u00a0<\/strong>Roeb M., Monnerie N., Houaijia A., Thomey D., Sattler C. Solar thermal water splitting. Renew Hydrogen Tech., 2013;4,20-23.<\/p>\n

2\u00a0<\/strong>Rao C.N.R. and Dey S. Solar thermochemical splitting of water to generate hydrogen. Proc Natl Acad Sci USA, 2017;114;51;1339.<\/p>\n

3\u00a0<\/strong>Orfila M., Linares M., Molina R., Botas J.A., Sanz R., Marug\u00e1n J. Estudio de diferentes \u00f3xidos no estequiom\u00e9tricos para la producci\u00f3n de hidr\u00f3geno. XVI Congreso Ib\u00e9rico y XII Congreso Iberoamericano de Energ\u00eda Solar. Madrid, junio 2018. Espa\u00f1a.<\/p>\n

4\u00a0<\/strong>Orfila, M., Sanz, M., Linares, M., Molina, R., Sanz, R., Marug\u00e1n, J., Botas, J.A. H2<\/sub> production by thermochemical water splitting with reticulated porous structures of Ceria-based mixed oxide materials. Int. J. Hydrogen Energ., 2020; in press<\/em>.<\/p>\n

5\u00a0<\/strong>Steinfeld A. Solar thermochemical production of hydrogen a review. Solid State Energ, 2005;78:603-15.<\/p>\n

6\u00a0<\/strong>Tanaka, H., M. Advances in Designing Perovskite Catalysts. Solid State Mater., 2001;5:80-81.<\/p>\n

7\u00a0<\/strong>Charvin P., Abanades S., Lemort F., Gilles F. Analysis of solar chemicals processes for hydrogen production from water splitting thermochemical cycles. Energ Convers Manage., 2009;49:1547-56.<\/p>\n

8\u00a0<\/strong>Orfila M., Linares M., Molina, Botas J.A., Sanz R., Marug\u00e1n J. Perovskite materials for hydrogen production by thermochemical water splitting. Int. J. Hydrogen Energ., 2016;41:19329-38.<\/p>\n

Contacto:<\/strong><\/p>\n

Juan \u00c1ngel Botas, Investigador del Grupo URJC-SOLAR del Programa ACES2030-CM,\u00a0juanangel.botas@urjc.es<\/a><\/p>\n

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero \u00c1lvarez. IMDEA Energ\u00eda<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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