El desarrollo de tecnologías eficientes para el almacenamiento y transporte del hidrógeno se ha convertido en una prioridad de investigación. Uno de los mayores desafíos que enfrenta la implementación a gran escala del hidrógeno como vector energético radica en su baja densidad energética volumétrica, lo que lo hace poco práctico para su transporte. Para abordar este problema, se han explorado diversas estrategias, entre las que destaca la generación de portadores orgánicos líquidos de hidrógeno.
La combinación de estrategias de regeneración química, optimización de diseño de celdas, caracterización avanzada de materiales y corrección adecuada de efectos ohmicos constituye un camino sólido hacia el desarrollo de sistemas eficientes y sostenibles para la producción y gestión del hidrógeno verde a partir de precursores químicos avanzados.
Arquitectura de celdas de flujo
Uno de los sistemas más prometedores para el almacenamiento reversible de hidrógeno es el par amoníaco-borano (NH3BH3, AB). Esta reacción puede liberar hidrógeno mediante procesos termoquímicos con alta pureza y sin emisiones de gases de efecto invernadero. Sin embargo, la regeneración directa del amoníaco-borano a partir de sus productos de descomposición (borazina y otros compuestos) es inviable desde un punto de vista termodinámico, lo que obliga a recurrir a métodos indirectos. Entre ellos, la electrólisis de sales líquidas de amonio en medios no acuosos se perfila como una opción viable para reciclar el borano gastado, cerrando el ciclo de almacenamiento.
Un aspecto fundamental es la escala de los sistemas utilizados. Se pasa desde células de laboratorio de pequeñas dimensiones a prototipos con un mayor número de celdas conectadas en serie como pilas. Esta evolución implica mejoras en la gestión de fluidos, la optimización de las condiciones electrólitas y el diseño de electrodos bipolarizados para mejorar la eficiencia global del proceso.
Por otro lado, la naturaleza oxidante del ácido nítrico lo posiciona como un oxidante ideal para sistemas fotoelectroquímicos híbridos. Su alta afinidad electrónica permite incrementar significativamente el voltaje de circuito abierto en dispositivos de tercera generación, ampliando así las capacidades de conversión y almacenamiento energético. Su uso combinado con materiales adecuados de fotoánodo (como hematita fotoactiva) y fotocátodo, junto con membranas selectivas de iones, facilita la generación y separación simultánea de productos deseados.
El agua dentro de las celdas fotoelectroquímicas
En cuanto al manejo del agua dentro de las celdas fotoelectroquímicas, existen dos estrategias principales: sistemas de tres electrodos con cámaras separadas para reducir la recombinación de productos, y sistemas monolíticos en modo «transfase» que operan con el sustrato sólido en contacto directo con un medio líquido. Ambos enfoques presentan ventajas y limitaciones en términos de rendimiento, estabilidad y complejidad constructiva. El control del entorno líquido sobre el fotoánodo y la optimización de la alineación de bandas energéticas son factores clave para maximizar la eficiencia del proceso.
En cuanto a las técnicas subyacentes, la microscopía electrónica de barrido (SEM) permite caracterizar con elevada resolución la morfología superficial de los materiales empleados en los electrodos, lo que resulta fundamental para evaluar la calidad de los recubrimientos y su influencia en el comportamiento electroquímico. El uso de detectores in-lens junto con energías de aceleración ajustadas (típicamente entre 5 y 20 kV) garantiza imágenes de alta calidad sin dañar las muestras.
Espectroscopía de fotoelectrones
Adicionalmente, el análisis de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) brinda información valiosa sobre la composición química y el estado electrónico de los materiales. Aunque requiere condiciones de vacío ultraalto, su combinación con fuentes de radiación monocromática y análisis de ángulo resuelto permite determinar con precisión las composiciones elementales y los estados de oxidación presentes en las interfaces activas.
Para garantizar mediciones electroquímicas robustas, es fundamental aplicar correcciones iR en sistemas donde la resistencia del electrolito es significativa. Esto se logra mediante técnicas como la compensación positiva o la sustracción digital en procedimientos de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS). La elección entre estos métodos depende de factores como la estabilidad del potencial del electrodo y la naturaleza del electrolito.
Por último, el ajuste de los datos experimentales obtenidos mediante EIS es crucial para identificar los procesos físicos controladores del comportamiento del sistema. Modelos de circuitos equivalentes basados en elementos de fase constante (CPE) permiten describir efectos de distribución de tiempos de relajación y obtener parámetros como la capacitancia interfacial, esenciales para la optimización de los dispositivos.
