Toshiba Corporation desarrolló una tecnología de producción a gran escala de electrodos que permite alcanzar un alto nivel de eficiencia en la tecnología Power to Gas (P2G), un conocimiento esencial para avanzar hacia una sociedad neutra en carbono, al tiempo que se reduce a 1/10*1  el uso de iridio, uno de los metales preciosos más escasos del mundo.

P2G utiliza la electrólisis del agua para convertir la energía renovable en hidrógeno, para almacenarlo y transportarlo allí donde se necesite. La electrólisis de membrana electrolítica de polímero (PEM, por sus siglas en inglés) se considera un método de conversión muy prometedor, ya que reacciona rápidamente a las fluctuaciones de energía y es muy duradero. Sin embargo, la PEM utiliza iridio, uno de los metales preciosos y raros de todos los comercializados, como catalizador en sus electrodos. Su aplicación práctica exige reducir el iridio utilizado, lo que se transforma en todo un reto.

Toshiba desarrolló en 2017 un catalizador laminado de nanohojas de óxido de iridio que reducía la necesidad de iridio a 1/10. Ahora, la empresa ha desarrollado una tecnología de producción a gran escala que deposita el catalizador en una superficie máxima de 5 m2 de una sola vez. Se espera que este avance impulse la pronta comercialización de P2G para la conversión de energía a gran escala y contribuya a la consecución de la neutralidad de carbono. El objetivo de Toshiba es comercializarlo a partir de este 2023.

Más de 120 países y regiones se han fijado el objetivo de la neutralidad de carbono para 2050, y se están estudiando medidas de descarbonización a nivel nacional, regional y corporativo. Las energías renovables son esenciales para alcanzar el objetivo y reducir las emisiones de CO2, pero su producción fluctúa mucho con el clima y las condiciones meteorológicas, y las instalaciones sólo pueden ubicarse en regiones adecuadas. Para maximizar su potencial y garantizar un suministro eléctrico estable y asequible, se necesita un método para almacenar y transportar la electricidad procedente de las renovables.

El P2G se considera una solución esencial para alcanzar la neutralidad de carbono en 2050. Utiliza la electrólisis para convertir la electricidad procedente de energías renovables en hidrógeno, listo para su almacenamiento y transporte. La tecnología clave del proceso son los electrolizadores de agua que convierten la energía en hidrógeno sin emitir CO2. La electrólisis del agua PEM, que ofrece una excelente adaptabilidad a las fluctuaciones de energía y una gran durabilidad, y Europa y EE.UU. han liderado el desarrollo del proceso en la actualidad.

La PEM utiliza un conjunto de electrodos de membrana (MEA) que integra la membrana electrolítica y el electrodo (Fig. 1). La conversión de hidrógeno en electricidad a gran escala requiere un gran número de MEA, y las previsiones anticipan una escala de mercado de aproximadamente 580 millones de dólares para 2028*2.

Sin embargo, el electrodo MEA depende de una gran cantidad de iridio para garantizar una eficiencia electrolítica suficiente. El iridio es uno de los metales preciosos más escasos. La producción mundial anual es de 7 a 10 toneladas, muy inferior a las 200 toneladas de platino, y su costo es de cuatro a cinco veces superior*3. La formación de electrodos requiere un recubrimiento uniforme de finas partículas de óxido de iridio, pero la reducción del óxido de iridio da lugar a una aplicación desigual y a reacciones no uniformes que degradan el rendimiento de la electrólisis del agua.

El catalizador multicapa de Toshiba utiliza una nueva tecnología de pulverización catódica (Fig. 2) para depositar capas alternas de películas de nanohojas de óxido de iridio y capas vacías (Fig. 3). En la pulverización catódica, los iones, como el argón, bombardean un material de deposición, el blanco, en el vacío, y depositan las partículas expulsadas sobre un sustrato (Fig. 2). En el proceso de Toshiba, el iridio es el blanco, y se forma una fina película de óxido de iridio inyectando oxígeno a medida que el blanco se deposita sobre el sustrato. El control del espesor se realiza a nivel nanométrico, lo que permite depositar capas uniformes de óxido de iridio con una cantidad menor de iridio.

El uso de la estructura de nanoplanchas laminadas de Toshiba en la capa catalizadora reduce con éxito el iridio necesario a 1/10, manteniendo el rendimiento de la electrólisis del agua (Fig. 4). También amplía significativamente la superficie de deposición. Dado que la pulverización catódica se lleva a cabo en el vacío, resulta difícil depositar sobre una gran superficie. Sin embargo, modificando la relación de distribución de la deposición de varios metales, incluido el iridio, y el nivel de entrada de oxígeno, Toshiba ha desarrollado con éxito una tecnología de producción a gran escala que permite la deposición de catalizador en una superficie de hasta 5 m2 cada vez (Fig. 5).

En colaboración con Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation, Toshiba ha construido prototipos de MEA con electrodos basados en la tecnología desarrollada y ha iniciado pruebas de evaluación con un fabricante de electrolizadores de agua. En el futuro, la empresa mejorará el rendimiento y la calidad con vistas a la producción en masa de MEA, con el objetivo de comercializarla a partir del ejercicio 2023.

Fuente: https://www.global.toshiba/ww/technology/corporate/rdc/rd/topics/22/2210-01.html

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