¿Es hidrógeno el combustible del futuro? Walter Orellana Departamento de Ciencias Físicas Universidad Andrés Bello

Motivación: El Calentamiento Global Vapor de agua (H 2 O) % Dióxido de carbono (CO 2 ) 9-26 % Metano (CH 4 ) 4-9 % Ozono (O 3 ) 3-7 % Gases de efecto invernadero Emisión de CO 2 en los últimos 50 años Fuente: Goddard Institute for Space Studies, NASA La temperatura del la Tierra a aumentado en un grado en los últimos 100 años

Los Villanos Fuentes de emisión de CO 2 a la atmósfera en los últimos doscientos años Total Petróleo Carbón mineral Gas natural Producción de Cemento Quema de gas Toneladas de Carbón/año (miles de millones) A la tasa actual de emisión de CO 2, la temperatura global aumentará entre 1,6 y 5,5 °C durante las próximas décadas* (*) The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC),

La Celda de Combustible de Hidrógeno Las celdas de combustibles PEM son dispositivos electroquímicos que convierte energía química a eléctrica con una eficiencia del orden del 60%. Luego doblan en eficiencia a un motor de combustión, cuya eficiencia puede llegar a solo 35%. Proton exchange membrane (PEM) hydrogen fuel cell p = 1 – 10 atm T = 25 – 120 °C Efficiency 60% Honda FCX Clarity, 2008

Bus Cero Emisión 100% vapor de agua Proyectos: CUTE (Clean Urban Transport for Europe) EPTOS (Ecological City Transport System, Iceland) STEP (Sustainable Transport Energy for Perth, Australia) Celdas de combustible con catalizador de platino Almacenamiento de H 2 en tanques a presión (350 bar/40Kg H 2 ) Autonomía de 300 Km Costo US$1.2 millones (~24 veces más caro que uno a gasolina) Mercedes Benz Citaro

Flota mundial de vehículos movidos a hidrógeno, todas iniciativas gubernamentales (2006). ¿Cómo funciona? Mercedes Benz Citaro

¿Cómo podemos reducir su costo? Reducir los costos de los vehículos a hidrógeno requiere soluciones innovadoras a tres problemas fundamentales: Catalizadores alternativos a platino, abundantes y baratos Platino es un metal escaso y caro, el 90% de su producción mundial la detentan solo dos países: Sudáfrica (75%) y Rusia (17%) Producción limpia y eficiente de hidrógeno (H 2 ) Actualmente el hidrógeno se produce masivamente a partir del metano en un proceso contaminante que emite CO 2 Almacenamiento eficiente de hidrógeno en vehículos Actualmente, el hidrógeno utilizado por vehículos es gas comprimido, que es almacenado en tanques de modo que el volumen ocupado y su peso son un problema

Sítio activo: Porfirina de Magnesio (MgP) Imitando a la Naturaleza: Fotosíntesis Las plantas usan la energía de la luz solar para combinar CO 2 con H 2 O y producir hidrocarburos como el azúcar y el almidón, ingredientes básicos de nuestra comida y de los combustibles.

Imitando a la Naturaleza: Hemoglobina Porfirina de hierro (FeP): Se ha demostrado que pueden catalizar la reacción de reducción de O 2 Hemoglobina: proteina de glóbulos rojos αβ Complejo hemo-b: Sitio activo para la captura de O 2 10 Å Céluas de la sangre (glóbulos rojos)

¿Qué son los catalizadores? Son elementos que hacen que una reacción química ocurra más rápido, preservando sus características estructurales. Son fundamentales para eliminar compuestos químicos altamente tóxicos (NO x, CO), transformandolos en otros no tan tóxicos (N 2, O 2, CO 2 ).

Reducción de óxidos de nitrógeno a nitrógeno y oxígeno 2 NO x → x O 2 + N 2 Oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono 2 CO + O 2 → 2 CO 2 Catalizadores para estas reacciones son partículas de metales preciosos: Convertidor Catalítico

Catalizadores para romper O 2 Porfirinas y Phtalocianina de hierro adsorbidas sobre sustratos de carbono han mostrado propiedades catalíticas similares al platino para la reacción de reducción de O 2 [Science 324, 71 (2009)] Physical Review B 82, (2010) Funcionalizacón de nanotubos de carbono con porfirinas y phtalocianinas metálicas (Mn, Fe y Co) Fe-PhtalocianinaFe-Porfirina

Catalizadores para romper O 2 Nanopartículas metálicas sobre la superficie óxidos como TiO 2 (110), CeO 2 (111) Phtalocianinas metálicas (Fe, Co) ancladas sobre la superficie de Au(111) a través de un espaciador 4-Mercaptopiridina.

Producción de H 2 I. El método más barato pero contaminante (produce CO 2 ): Reformado de vapor (metano + vapor de agua) paso 1: CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (stem reforming) paso 2: CO + H 2 O → CO 2 + 2H 2 (water-gas shift) II. El método más caro pero limpio: A partir de la descomposición de la molécula de agua con electricidad (electrólisis) H 2 O → H 2 + ½ O 2 (water split) Esta reacción también puede ser catalizada de modo a requerir menos energía eléctrica.

Producción limpia de H 2 Estaciones de producción y suministro de H 2 que utilizan la energía solar para producir la hidrólisis del agua. La electricidad producida por celdas solares es utilizada para romper la molécula H 2 O produciendo H 2 y O 2. El hidrógeno es comprimido y almacenado en tanques.

Almacenamiento de H 2 en vehículos Nuevos materiales I: Hidruros complejos livianos: NaAlH 4 (4.0 wt %, 1 atm, 33 °C) Li 2 NH (6.5 wt %, 1 atm, 200 °C) NH 4 BH 4 (6.1 wt %, 1 atm, < 25 °C) Nuevos materiales II: Nanoestructuras de carbono: fullerenos dopados, nanotubos y grafeno La forma más compacta y segura de almacenar H 2 es al interior de materiales sólidos liviano (con alta capacidad gravimétrica) y que puedan guardar la mayor cantidad de H 2 posible (alta capacidad volumétrica). meta para igualar la autonomía de un auto a gasolina

Simulación de dinámica molecular: 64 H 2 al interior de un nanotubo de carbono de 1 nm de diámetro a 300 K Almacenamiento de H 2 al interior de nanotubos de carbono Phys. Rev. B 80, (2009) Vacancias en nanotubos de carbono: Canales para la incorporación de hidrógeno 6 Å Posibles soluciones: Nanomateriales

¿Es hidrógeno el combustible del futuro? Si, pero necesitamos investigación en física, química y ciencia de materiales para encontrar una nueva generación de materiales capaces de cumplir los requerimientos de costo y eficiencia... ¡Salva el planeta, estudia ciencias! Nuevos