Electrólisis alcalina del agua

La electrólisis alcalina del agua es un tipo de electrólisis que se caracteriza por tener dos electrodos que operan en un electrolito alcalino líquido. Comúnmente, se utiliza una solución de hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de sodio (NaOH) al 25-40 % en peso. ^{[ 6 ]} Estos electrodos están separados por un diafragma, que separa los gases del producto y transporta los iones hidróxido (OH ⁻ ) de un electrodo al otro. ^{[ 4 ] [ 7 ]} Una comparación reciente mostró que los electrolizadores de agua de última generación basados ​​en níquel con electrolitos alcalinos conducen a eficiencias competitivas o incluso mejores que la electrólisis del agua con membrana de electrolito polimérico ácido con electrocatalizadores basados ​​en metales del grupo del platino . ^{[ 8 ]}

Esta tecnología tiene una larga historia en la industria química. La primera demanda a gran escala de hidrógeno surgió a finales del siglo XIX para aeronaves más ligeras que el aire , y antes de la llegada del reformado con vapor en la década de 1930, la técnica era competitiva.

Las tecnologías basadas en hidrógeno han evolucionado significativamente desde el descubrimiento inicial del hidrógeno y su aplicación temprana como gas de baja flotabilidad hace aproximadamente 250 años. En 1804, el inventor suizo François Isaac de Rivaz obtuvo una patente para el primer vehículo propulsado por hidrógeno. Este prototipo, con un diseño de cuatro ruedas, utilizaba un motor de combustión interna (MCI) alimentado por una mezcla de hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno se almacenaba en un globo y el encendido se lograba mediante un arrancador eléctrico conocido como arrancador Volta. El proceso de combustión impulsaba el pistón dentro del cilindro, que, al descender, activaba una rueda mediante un mecanismo de trinquete. Este invento podría considerarse una realización temprana de un sistema que comprende almacenamiento de hidrógeno , conductos, válvulas y un dispositivo de conversión. ^{[ 9 ]}

Aproximadamente cuatro décadas después de que el científico militar Ritter desarrollara el primer electrolizador, los químicos Schoenbein y Sir Grove identificaron y demostraron de forma independiente el concepto de pila de combustible. Esta tecnología funciona a la inversa de la electrólisis alrededor del año 1839. Este descubrimiento marcó un hito significativo en el campo de la tecnología del hidrógeno, demostrando el potencial del hidrógeno como fuente de energía limpia. ^{[ 9 ]}

Los electrodos suelen estar separados por una fina lámina porosa, comúnmente denominada diafragma o separador. El diafragma es no conductor de electrones, evitando así cortocircuitos eléctricos entre los electrodos y permitiendo distancias pequeñas entre ellos. La conductividad iónica la proporciona la solución alcalina acuosa, que penetra en los poros del diafragma. Los diafragmas de amianto se han utilizado durante mucho tiempo debido a su eficaz separación de gases, su bajo coste y su alta estabilidad química ; sin embargo, su uso está restringido por el Convenio de Rotterdam . ^{[ 11 ]} El diafragma más avanzado es el Zirfon, un material compuesto de zirconia y polisulfona . ^{[ 12 ]} El diafragma evita además la mezcla del hidrógeno y el oxígeno producidos en el cátodo y el ánodo, ^{[ 13 ] [ 14 ]} respectivamente. El espesor de los diafragmas de asbesto varía de 2 a 5  mm, mientras que el de los diafragmas de Zirfon varía de 0,2 a 0,5  mm. ^{[ 11 ]}

Típicamente, los metales a base de níquel se utilizan como electrodos para la electrólisis alcalina del agua. ^{[ 15 ]} Considerando los metales puros, el Ni es el metal no noble menos activo. ^{[ 16 ]} El alto precio de los buenos electrocatalizadores de metales nobles, como los metales del grupo del platino, y su disolución durante la evolución del oxígeno ^{[ 17 ]} es una desventaja. El Ni se considera más estable durante la evolución del oxígeno, ^{[ 18 ]} pero el acero inoxidable ha demostrado buena estabilidad y mejor actividad catalítica que el Ni a altas temperaturas durante la reacción de evolución de oxígeno (OER) . ^{[ 5 ]}

Se pueden obtener catalizadores de Ni con una superficie específica mediante la desaleación de aleaciones de níquel-zinc ^{[ 5 ]} o níquel-aluminio en solución alcalina, comúnmente conocida como níquel Raney . En pruebas de celda, los electrodos con mejor rendimiento reportados hasta ahora consistieron en aleaciones de Ni pulverizadas al vacío con plasma sobre mallas de Ni ^{[ 19 ] [ 20 ]} y mallas de Ni galvanizadas por inmersión en caliente. ^{[ 21 ]} Este último enfoque podría ser interesante para la fabricación industrial a gran escala, ya que es económico y fácilmente escalable, pero desafortunadamente, todas las estrategias muestran cierta degradación. ^{[ 22 ]}

En comparación con la electrólisis de membrana de intercambio de protones , las ventajas de la electrólisis de agua alcalina son principalmente: ^{[ 25 ]}

1. Cuenta con una trayectoria más larga de uso industrial, una fiabilidad probada y costes iniciales más bajos, lo que la convierte en una opción más madura para la producción de hidrógeno a gran escala.
2. Mayor durabilidad gracias a un electrolito intercambiable y una menor disolución del catalizador anódico.
3. A diferencia de la electrólisis PEM, la electrólisis alcalina no requiere metales preciosos costosos o escasos como el platino o el iridio para los electrodos. Esto reduce el costo total y la dependencia de materiales.

Una desventaja de los electrolizadores de agua alcalina son los perfiles de bajo rendimiento causados ​​por los diafragmas gruesos comúnmente utilizados que aumentan la resistencia óhmica, la menor conductividad intrínseca de OH− en comparación con H+, y el mayor paso de gas observado para diafragmas altamente porosos. ^{[ 26 ]}

• electrólisis de membrana de intercambio de protones
• Celda electrolítica de óxido sólido
• electrólisis de membrana de intercambio aniónico