¿Es hidrógeno el combustible del futuro?

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

2. Motivación: El Calentamiento Global Gases de efecto invernadero • Vapor de agua (H2O) 36-72 % • Dióxido de carbono (CO2) 9-26 % • Metano (CH4) 4-9 % • Ozono (O3) 3-7 % La temperatura del la Tierra a aumentado en un grado en los últimos 100 años Emisión de CO2 en los últimos 50 años Fuente: Goddard Institute for Space Studies, NASA

3. Los Villanos Fuentes de emisión de CO2 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 CO2, la temperatura global aumentará entre 1,6 y 5,5 °C durante las próximas décadas* (*) The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), http://www.ipcc.ch

4. La Celda de Combustible de Hidrógeno Proton exchange membrane (PEM) hydrogen fuel cell p = 1 – 10 atm T = 25 – 120 °C Efficiency 60% 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%. Honda FCX Clarity, 2008

5. Bus Cero Emisión Proyectos: CUTE (Clean Urban Transport for Europe) EPTOS (Ecological City Transport System, Iceland) STEP (Sustainable Transport Energy for Perth, Australia) Mercedes Benz Citaro 100% vapor de agua • Celdas de combustible con catalizador de platino • Almacenamiento de H2 en tanques a presión (350 bar/40Kg H2) • Autonomía de 300 Km • Costo US$1.2 millones (~24 veces más caro que uno a gasolina) http://cute-hamburg.motum.revorm.com/presentations

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

7. ¿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 (H2) • Actualmente el hidrógeno se produce masivamente a partir del metano en • un proceso contaminante que emite CO2 • 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

8. Imitando a la Naturaleza: Fotosíntesis Las plantas usan la energía de la luz solar para combinar CO2 con H2O y producir hidrocarburos como el azúcar y el almidón, ingredientes básicos de nuestra comida y de los combustibles. Sítio activo: Porfirina de Magnesio (MgP)

9. Imitando a la Naturaleza: Hemoglobina Hemoglobina: proteina de glóbulos rojos Complejo hemo-b: Sitio activo para la captura de O2 Céluas de la sangre (glóbulos rojos) β α Porfirina de hierro (FeP): Se ha demostrado que pueden catalizar la reacción de reducción de O2 10 Å

10. ¿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 • (NOx, CO), transformandolos en otros no tan tóxicos (N2, O2, CO2).

11. Convertidor Catalítico Reducción de óxidos de nitrógeno a nitrógeno y oxígeno 2 NOx→ x O2 + N2 Oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono 2 CO + O2→ 2 CO2 Catalizadores para estas reacciones son partículas de metales preciosos:

12. Catalizadores para romper O2 Porfirinas y Phtalocianina de hierro adsorbidas sobre sustratos de carbono han mostrado propiedades catalíticas similares al platino para la reacción de reducción de O2 [Science 324, 71 (2009)] Fe-Porfirina Fe-Phtalocianina Funcionalizacón de nanotubos de carbono con porfirinas y phtalocianinas metálicas (Mn, Fe y Co) Physical Review B 82, 115406 (2010)

13. Catalizadores para romper O2 Phtalocianinas metálicas (Fe, Co) ancladas sobre la superficie de Au(111) a través de un espaciador 4-Mercaptopiridina. Nanopartículas metálicas sobre la superficie óxidos como TiO2(110), CeO2(111)

14. Producción de H2 I. El método más barato pero contaminante (produce CO2): Reformado de vapor (metano + vapor de agua) paso 1: CH4 + H2O → CO + 3H2 (stem reforming) paso 2: CO + H2O → CO2 + 2H2(water-gas shift) II. El método más caro pero limpio: A partir de la descomposición de la molécula de agua con electricidad (electrólisis) H2O → H2 + ½ O2 (water split) Esta reacción también puede ser catalizada de modo a requerir menos energía eléctrica.

15. Producción limpia de H2 Estaciones de producción y suministro de H2 que utilizan la energía solar para producir la hidrólisis del agua. La electricidad producida por celdas solares es utilizada para romper la molécula H2O produciendo H2 y O2. El hidrógeno es comprimido y almacenado en tanques.

16. Almacenamiento de H2 en vehículos La forma más compacta y segura de almacenar H2 es al interior de materiales sólidos liviano (con alta capacidad gravimétrica) y que puedan guardar la mayor cantidad de H2 posible (alta capacidad volumétrica). meta para igualar la autonomía de un auto a gasolina http://www.hydrogen.energy.gov/ • Nuevos materiales I: Hidruros complejos livianos: NaAlH4 (4.0 wt %, 1 atm, 33 °C) • Li2NH (6.5 wt %, 1 atm, 200 °C) • NH4BH4 (6.1 wt %, 1 atm, < 25 °C) • Nuevos materiales II: Nanoestructuras de carbono: fullerenos dopados, nanotubos • y grafeno

17. Posibles soluciones: Nanomateriales Almacenamiento de H2 al interior de nanotubos de carbono 6 Å Vacancias en nanotubos de carbono: Canales para la incorporación de hidrógeno Simulación de dinámica molecular: 64 H2 al interior de un nanotubo de carbono de 1 nm de diámetro a 300 K Phys. Rev. B 80, 075421 (2009)

18. ¿Es hidrógeno el combustible del futuro? Nuevos 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!