Las esferas flexibles de la biomolécula quitosano, elaboradas a partir de desechos de camarones, se pueden utilizar para catalizadores que generan gas hidrógeno a partir de sales de borohidruro.
En un artículo publicado en la revista Green Chemistry, un equipo de investigación en la University of Amsterdam (UvA) demostró cómo las esferas de quitosano pueden “exhalar” burbujas de hidrógeno sin romperse. Este es un paso importante hacia unidades prácticas y seguras de almacenamiento y liberación de hidrógeno.
Sales de borohidruro como portadores de hidrógeno
Desde 2020, el grupo Heterogeneous Catalysis & Sustainable Chemistry del Van ‘t Hoff Institute for Molecular Sciences en UvA ha estado trabajando en el uso de sales de borohidruro de metales alcalinos como futuros portadores de hidrógeno.
Estas sales sólidas se pueden almacenar de forma segura en el aire en condiciones ambientales y liberan gas hidrógeno solo cuando reaccionan con el agua. Sin embargo, controlar la liberación de hidrógeno y, por lo tanto, prevenir reacciones fuera de control es un desafío.
Una alternativa es estabilizar la solución con una base y controlar la liberación de hidrógeno mediante el uso de un catalizador.
El equipo de UvA, liderado por el profesor Gadi Rothenberg, está desarrollando este tipo de catalizadores en colaboración con el Austrian Competence Centre for Tribology (AC2T) y la compañía Electriq Global.
El hidrógeno destruye las partículas del catalizador
Encontrar catalizadores potenciales es fácil, pero lograr que funcionen el tiempo suficiente para que sean comercialmente viables no lo es.
La combinación de un pH alto de reacción y una liberación continua de burbujas de hidrógeno destruye los catalizadores tradicionales en unos pocos días. Por ejemplo, el equipo logró diseñar partículas de catalizador que contienen cobalto altamente activas y selectivas. Sin embargo, la alta actividad da como resultado grandes volúmenes de hidrógeno que destruyen rápidamente las partículas.
El avance se produjo durante el llamado experimento “Friday Afternoon” cuando el estudiante de maestría Jeffrey Jonk y la estudiante de doctorado Fran Pope decidieron intentar encapsular partículas de cobalto en esferas de quitosano.
Quitosano de camarones
El quitosano es un polímero natural que se puede producir a partir de quitina, el componente principal de los exoesqueletos de insectos y caparazones de crustáceos. Es un material biodegradable y biocompatible que está ampliamente disponible en una escala de varias toneladas, producido principalmente a partir de desechos de camarones y caparazones de cangrejo.
Los grupos amino recurrentes en el esqueleto del quitosano lo hacen altamente soluble en soluciones ácidas acuosas pero escasamente soluble en soluciones básicas. Por lo tanto, las esferas de quitosano se pueden producir con relativa facilidad dejando caer el quitosano líquido en una solución básica.
Una propiedad crucial de las esferas de quitosano es su flexibilidad que les permite expandirse durante la generación de hidrógeno. Por lo tanto, pueden “exhalar” las burbujas de hidrógeno sin romperse.
Potencial para catalizadores a base de quitosano
El equipo de investigadores probó los nuevos catalizadores en modo discontinuo y continuo, monitoreando las reacciones y midiendo el flujo de hidrógeno generado.
Unas esferas de unos pocos milímetros cargadas con un 7% de cobalto fueron suficientes para generar 40 ml de hidrógeno por minuto en un reactor continuo durante dos días, lo que demuestra el potencial real de este nuevo catalizador.
Hidrógeno energía del futuro
El hidrógeno es la fuente de energía del futuro, pero viene con su propio conjunto de desafíos. Cuando se almacena como gas comprimido o en forma líquida, el hidrógeno molecular (H2), consume mucha energía.
Esto es una ventaja en algunas aplicaciones, pero un problema de seguridad en otras. Para el almacenamiento y liberación a mediana escala en instalaciones móviles, como grúas, barcos y generadores, son preferibles otros modos de almacenamiento de hidrógeno.
Hay muchas formas de portadores de hidrógeno. Los ejemplos de alta capacidad de almacenamiento de hidrógeno incluyen amoníaco, metanol, ácido fórmico y otros. Sin embargo, cada uno tiene sus pros y sus contras.
El metanol tiene una alta capacidad (12,5% en peso), pero la deshidrogenación requiere altas temperaturas y también puede emitir CO2; mientras que el amoníaco puede contaminar las corrientes de H2 generadas y es un gas tóxico en sí mismo en condiciones ambientales.
Como alternativa, los borohidruros alcalinos pueden proporcionar una fuente segura de hidrógeno, uniéndolo químicamente como una sal sólida. Una reacción con agua libera el hidrógeno, y el subproducto de la sal de metaborato resultante se puede reprocesar y reutilizar para el almacenamiento de hidrógeno.
Referencia (acceso libre)
F. Pope, J. Jonk, M. Fowler, P.C.M. Laan, N.J. Geels, L. Drangai, V. Gitis and G. Rothenberg. 2023. From shrimp balls to hydrogen bubbles: Borohydride hydrolysis catalysed by flexible cobalt chitosan spheres. Green Chem., 2023, 25, 5727-5734. DOI: 10.1039/d3gc00821e
