Investigadores japoneses convierte el óxido de hierro, mineral inestable y baratísimo, en un catalizador de hidrógeno que iguala o supera al platino a temperatura ambiente

Investigadores del centro japonés Research Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA), del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales (NIMS), han conseguido algo que hasta hace poco sonaba a ciencia ficción. Han convertido un óxido de hierro muy común, conocido como «green rust», en un catalizador barato y eficiente capaz de liberar hidrógeno a partir de borohidruro de sodio a temperatura ambiente. Todo ello sin recurrir a metales preciosos como el platino y con un rendimiento que iguala o supera a muchos catalizadores de gama alta.

El problema de siempre del hidrógeno

El hidrógeno se presenta a menudo como la gran alternativa limpia para descarbonizar el transporte y parte de la industria. Sin embargo, almacenarlo y trasladarlo de forma segura y barata sigue siendo una de las grandes piedras en el camino.

Una de las soluciones que más interés despierta es el borohidruro de sodio. Es un polvo estable que libera hidrógeno cuando entra en contacto con agua. El problema es que para que esa reacción sea rápida y útil hace falta un catalizador. Hasta ahora, lo habitual eran materiales basados en platino, rodio u otros metales caros y escasos, lo que dispara los costes y complica cualquier despliegue masivo.

Qué han hecho con el «green rust»

El equipo de MANA, liderado por el doctor Yusuke Ide, ha partido de un material que la propia comunidad científica consideraba demasiado inestable para uso práctico. El «green rust» es un hidróxido de hierro con hierro en dos estados de oxidación distintos. Es decir, una forma de óxido mixto abundante y de baja toxicidad, pero químicamente caprichoso.

La clave ha sido tratar este «green rust» con una disolución de cloruro de cobre. Ese paso hace que en los bordes de las pequeñas láminas de óxido de hierro aparezcan nanoclústeres de óxido de cobre, con tamaños de hasta unos pocos nanómetros. Esos bordes decorados se convierten en los puntos activos donde el borohidruro de sodio se descompone y libera hidrógeno de forma muy rápida cuando se mezcla con agua.

Además, el propio «green rust» absorbe luz solar y actúa como fotocatalizador. En la práctica, eso significa que la energía de la luz se transfiere hacia esos pequeños cúmulos de óxido de cobre y ayuda a activar la reacción sin necesidad de añadir calor externo ni electricidad. Para el lector de a pie, la idea es sencilla. Un sistema que podría generar hidrógeno con solo combinar agua, un polvo sólido y luz del día.

Rendimiento de catalizador caro con materia prima barata

El artículo científico recoge que este catalizador basado en óxido de hierro logra frecuencias de conversión de hidrógeno muy elevadas. En condiciones de laboratorio, la frecuencia de reacción puede alcanzar hasta unas 5000 unidades por minuto para la hidrólisis del borohidruro de sodio a temperaturas algo más altas, cifras comparables o incluso uno o dos órdenes de magnitud superiores a las de catalizadores con metales nobles en condiciones similares.

Cuando se trabaja a temperatura ambiente y con luz, la eficiencia supera a la de materiales de referencia como el dióxido de titanio modificado con nanopartículas de platino. Y, lo que es igual de importante en el mundo real, el nuevo catalizador mantiene su actividad tras múltiples ciclos de uso, sin degradarse de forma apreciable en las pruebas iniciales.

La síntesis tampoco exige equipos exóticos. Según los autores, el procedimiento es relativamente sencillo y escalable. Eso abre la puerta a producir grandes cantidades del material y a integrarlo en sistemas de hidrógeno basados en borohidruro, tanto móviles como estacionarios.

Qué puede significar para la movilidad sin emisiones

Aquí es donde la investigación se cruza con la vida cotidiana. Si un catalizador barato permite extraer hidrógeno de forma controlada de un sólido estable como el borohidruro de sodio, los depósitos de hidrógeno comprimido a alta presión dejan de ser la única opción.

Ya existen proyectos piloto en Europa que preparan barcos de pasaje propulsados con borohidruro de sodio, como el Neo Orbis, una embarcación de canales en los Países Bajos que usará este compuesto como forma de «hidrógeno sólido». En paralelo, centros de investigación y empresas están probando sistemas similares para pequeños barcos de transporte y vehículos ligeros. La visión es que el vehículo lleve un cartucho con borohidruro y un depósito de agua y que, gracias al catalizador, genere el hidrógeno a demanda para alimentar la pila de combustible.

El propio doctor Ide lo resume en la nota de prensa del NIMS al afirmar que esperan que el catalizador se use en pilas de combustible de hidrógeno en muchas aplicaciones a bordo, como coches y barcos, lo que podría impulsar nuevas formas de movilidad sin emisiones.

Este avance llega en un contexto en el que Japón ha reforzado su estrategia del hidrógeno, con objetivos de consumo de hasta 12 millones de toneladas al año para 2040 y una fuerte presión para reducir costes mientras se recortan emisiones por kilogramo de hidrógeno producido. La Unión Europea también financia proyectos que exploran portadores químicos de hidrógeno más seguros y fáciles de transportar.

Lo que aún falta por resolver

Aunque el resultado es muy prometedor, no significa que mañana vayamos a ver surtidores de borohidruro en cada esquina. Para empezar, el uso de este compuesto como vector de hidrógeno tiene sus propios retos. Fabricarlo de forma sostenible, reciclar los subproductos y cerrar el ciclo para regenerar el borohidruro son retos técnicos y económicos que la literatura científica sigue debatiendo.

Además, los ensayos de MANA y NIMS se han realizado en condiciones controladas de laboratorio. El siguiente paso pasa por integrar el catalizador en prototipos reales, probarlo en sistemas de pila de combustible completos y comprobar su comportamiento a largo plazo en entornos marinos o de automoción, donde las vibraciones, las impurezas y los cambios de temperatura son la norma y no la excepción.

Aun con estas cautelas, el mensaje de fondo es claro. Si un óxido de hierro barato y abundante puede hacer el mismo trabajo que un catalizador a base de platino, el hidrógeno como combustible limpio gana puntos en la carrera por descarbonizar el transporte y parte de la industria, siempre que la producción de ese hidrógeno se base en energías renovables.

El estudio científico completo se ha publicado en la revista ACS Catalysis.