Proponen usar orina en lugar de agua para producir hidrógeno verde

Investigadores han desarrollado dos sistemas únicos, rentables y de bajo consumo energético, que utilizan la urea presente en la orina y las aguas residuales para generar hidrógeno.

Normalmente, el hidrógeno se genera mediante electrólisis para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno. Es una tecnología prometedora para ayudar a resolver la crisis energética mundial, pero el proceso requiere mucha energía, lo que hace que su coste sea prohibitivo si se compara con la extracción de hidrógeno a partir de combustibles fósiles (hidrógeno gris), que a su vez es un proceso indeseable por las emisiones de carbono que genera.

Pero a diferencia del agua, un sistema de electrólisis que genere hidrógeno a partir de urea consume mucha menos energía.

A pesar de esta ventaja, los sistemas actuales basados en la urea se enfrentan a varias limitaciones, como las bajas cantidades de hidrógeno que pueden extraerse y la generación de subproductos nitrogenados indeseables (nitratos y nitritos), que son tóxicos y compiten con la producción de hidrógeno, lo que reduce aún más la eficiencia global del sistema.

Ahora, investigadores del Australian Research Council Centre of Excellence for Carbon Science and Innovation (COE-CSI) y de la Universidad de Adelaida han desarrollado dos sistemas de electrólisis basados en la urea que superan estos problemas y pueden generar hidrógeno verde a un coste que, según sus cálculos, es comparable o más barato que el de producir hidrógeno gris.

La investigación de cada sistema se ha publicado en sendos artículos, uno en la revista Angewandte Chemie International Edition y el otro en Nature Communications.

La obtención de hidrógeno a partir de urea pura no es nueva, pero el equipo ha encontrado un proceso más accesible y rentable que utiliza la orina como fuente alternativa a la urea pura.

«Aunque no hemos resuelto todos los problemas, si estos sistemas se ampliaran, nuestros sistemas producirían gas nitrógeno inocuo en lugar de los nitratos y nitritos tóxicos, y cualquiera de ellos consumiría entre un 20 y un 27 por ciento menos de electricidad que los sistemas de división del agua», afirma el profesor Yao Zheng, investigador jefe del COE-CSI y profesor de la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Adelaida.

«Tenemos que reducir el coste de la producción de hidrógeno, pero sin emisiones de carbono. El método de nuestro primer artículo, aunque utilizaba un sistema único sin membranas y un novedoso catalizador a base de cobre, empleaba urea pura, que se produce mediante el proceso de síntesis de amoníaco Haber-Bosch, que consume mucha energía y libera gran cantidad de CO2».

«Lo resolvimos utilizando una fuente verde de urea -la orina humana-, que es la base del sistema examinado en nuestro segundo trabajo», añade Zheng.

La orina o urea también puede obtenerse de aguas residuales y otras aguas con alto contenido en residuos nitrogenados.

Sin embargo, la orina en un sistema electrocatalítico presenta otro problema. Los iones de cloruro de la orina desencadenan una reacción que genera cloro y provoca la corrosión irreversible del ánodo del sistema, donde se produce la oxidación y la pérdida de electrones.

«En el primer sistema desarrollamos un método innovador y altamente eficiente de electrólisis de urea sin membrana para la producción de hidrógeno a bajo coste. En este segundo sistema, desarrollamos un novedoso mecanismo de oxidación mediado por cloro que utilizaba catalizadores a base de platino sobre soportes de carbono para generar hidrógeno a partir de la orina», explica el profesor Qiao.

El platino es un metal caro, precioso y finito, y su creciente demanda como material catalítico es insostenible. Una de las principales misiones del COE-CSI es desarrollar tecnologías catalizadoras del carbono que transformen las industrias químicas y energéticas tradicionales.

El equipo de la Universidad de Adelaida se basará en esta investigación fundamental para desarrollar catalizadores de metales no preciosos soportados por carbono que permitan construir sistemas de tratamiento de aguas residuales urinarias sin membranas, con lo que se conseguirá una recuperación de hidrógeno verde de menor coste a la vez que se sanea el entorno de las aguas residuales.