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Electrólisis alcalina de agua

La electrólisis alcalina de agua es un proceso electrolítico del agua que se caracteriza por tener dos electrodos que funcionan en una disolución electrolítica alcalina líquida de hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de sodio (NaOH). Estos electrodos están separados por un diafragma, separando los gases del producto y transportando los iones de hidróxido (OH−) de un electrodo al otro.[1]​[2]​ Los electrolizadores de agua a base de níquel de última generación con electrolitos alcalinos conducen a eficiencias competitivas o incluso mejores que la electrólisis con membrana de intercambio de protones (PEM) del agua con electrocatalizadores a base de metales del grupo del platino.[3]​

Esquema de la electrólisis alcalina de agua

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

En el contexto de la descarbonización de la industria, la electrólisis del agua alcalina puede considerarse una tecnología importante que permite una conversión y un almacenamiento de energía eficientes.[4]​

Estructura y materiales

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Los electrodos suelen estar separados por una fina lámina porosa (con un espesor de entre 0,050 y 0,5 mm), comúnmente conocido como diafragma o separador.  El diafragma no es conductor de electrones, lo que evita cortocircuitos eléctricos entre los electrodos y permite distancias pequeñas entre los electrodos. La conductividad iónica es suministrada por la disolución alcalina acuosa, que penetra en los poros del diafragma. El diafragma de última generación es Zirfon, un material compuesto de dióxido de circonio y polisulfona.[5]​ El diafragma evita además la mezcla del hidrógeno y el oxígeno producidos en el cátodo y el ánodo,[6]​[7]​ respectivamente.

Por lo general, los metales a base de níquel se utilizan como electrodos para la electrólisis de agua alcalina.[8]​ Considerando los metales puros, el níquel es el metal no noble menos activo.[9]​ 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[10]​ es un inconveniente. El níquel se considera más estable durante la evolución del oxígeno,[11]​ pero el acero inoxidable ha mostrado una buena estabilidad y una mejor actividad catalítica que el níquel a altas temperaturas durante la reacción de evolución del oxígeno (OER).[12]​

Se pueden lograr catalizadores de níquel de área superficial alta mediante la desaleación de aleaciones de níquel-cinc[12]​ o níquel-aluminio en disolución alcalina, comúnmente conocido como níquel Raney . En las pruebas de celdas, los electrodos de mejor rendimiento consistían en aleaciones de níquel pulverizadas al vacío con plasma en mallas de níquel[13]​[14]​ y mallas de níquel galvanizadas en caliente.[15]​ Este último enfoque podría ser interesante para la fabricación industrial a gran escala, ya que es barato y fácilmente escalable.

Ventajas con respecto a la electrólisis PEM del agua

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En comparación con la electrólisis de agua con electrolitos poliméricos (PEM), las ventajas de la electrólisis alcalina del agua son principalmente:

  1. Catalizadores más económicos con respecto a los catalizadores basados en el grupo de metales del platino utilizados para la electrólisis PEM del agua.
  2. Mayor durabilidad, debido a un electrolito intercambiable y menor disolución del catalizador anódico.
  3. Mayor pureza del gas debido a la menor difusividad del gas en electrolito alcalino.

Referencias

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  1. ↑ Carmo, M; Fritz D; Mergel J; Stolten D (2013). «A comprehensive review on PEM water electrolysis». Journal of Hydrogen Energy 38 (12): 4901. doi:10.1016/j.ijhydene.2013.01.151. 
  2. ↑ «Alkaline Water Electrolysis». Energy Carriers and Conversion Systems. Consultado el 19 de octubre de 2014. 
  3. ↑ Schalenbach, M; Tjarks G; Carmo M; Lueke W; Mueller M; Stolten D (2016). «Acidic or Alkaline? Towards a New Perspective on the Efficiency of Water Electrolysis». Journal of the Electrochemical Society 163 (11): F3197. doi:10.1149/2.0271611jes. 
  4. ↑ Ďurovič, Martin; Hnát, Jaromír; Bouzek, Karel (1 de mayo de 2021). «Electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction in alkaline and neutral media. A comparative review». Journal of Power Sources (en inglés) 493: 229708. ISSN 0378-7753. doi:10.1016/j.jpowsour.2021.229708. 
  5. ↑ «AGFA Zirfon Perl Product Specification». Archivado desde el original el 23 de abril de 2018. Consultado el 29 de enero de 2019. 
  6. ↑ Schalenbach, M; Lueke W; Stolten D (2016). «Hydrogen Diffusivity and Electrolyte Permeability of the Zirfon PERL Separator for Alkaline Water Electrolysis». Journal of the Electrochemical Society 163 (14): F1480-F1488. doi:10.1149/2.1251613jes. 
  7. ↑ Haug, P; Koj M; Turek T (2017). «Influence of process conditions on gas purity in alkaline water electrolysis». International Journal of Hydrogen Energy 42 (15): 9406-9418. doi:10.1016/j.ijhydene.2016.12.111. 
  8. ↑ Zhou, Daojin; Li, Pengsong (2020). «Recent Advances in Non‐Precious Metal‐Based Electrodes for Alkaline Water Electrolysis». ChemNanoMat (en inglés) 6 (3): 336-355. ISSN 2199-692X. doi:10.1002/cnma.202000010. 
  9. ↑ Quaino, P; Juarez F; Santos E; Schmickler W (2014). «Volcano plots in hydrogen electrocatalysis–uses and abuses». Beilstein Journal of Nanotechnology 42: 846-854. PMC 4077405. PMID 24991521. doi:10.3762/bjnano.5.96. 
  10. ↑ Schalenbach, M (2018). «The electrochemical dissolution of noble metals in alkaline media». Electrocatalysis 9 (2): 153-161. doi:10.1007/s12678-017-0438-y. 
  11. ↑ Cherevko, S (2016). «Oxygen and hydrogen evolution reactions on Ru, RuO2, Ir, and IrO2 thin film electrodes in acidic and alkaline electrolytes: A comparative study on activity and stability». Catalysis Today 262: 170-180. doi:10.1016/j.cattod.2015.08.014. 
  12. ↑ a b Colli, A.N. (2019). «Non-Precious Electrodes for Practical Alkaline Water Electrolysis». Materials 12 (8): 1336. Bibcode:2019Mate...12.1336C. PMC 6515460. PMID 31022944. doi:10.3390/ma12081336. 
  13. ↑ Schiller, G; Henne R; Borock V (1995). «Vacuum Plasma Spraying of High-Performance Electrodes for Alkaline Water Electrolysis». Journal of Thermal Spray Technology 4 (2): 185. Bibcode:1995JTST....4..185S. doi:10.1007/BF02646111. 
  14. ↑ Schiller, G; Henne R; Mohr P; Peinecke V (1998). «High Performance Electrodes for an Advanced Intermittently Operated 10-kW Alkaline Water Electrolyzer». International Journal of Hydrogen Energy 23 (9): 761-765. doi:10.1016/S0360-3199(97)00122-5. 
  15. ↑ Schalenbach, M (2018). «An alkaline water electrolyzer with nickel electrodes enables efficient high current density operation». International Journal of Hydrogen Energy 43 (27): 11932-11938. doi:10.1016/j.ijhydene.2018.04.219. 
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