Electrolizadores PEM: Avanzando en el hidrógeno verde mediante la innovación en materiales

En medio de la creciente presión de consumidores y reguladores, las industrias de todo el mundo buscan formas de reducir sus emisiones de carbono y cumplir los objetivos de sostenibilidad. Aunque la adopción de fuentes de energía renovable como la eólica y la solar sí ayuda, la electrificación por sí sola no basta para compensar los sectores difíciles de descarbonizar, entre ellos:

• Producción de acero
• Productos químicos
• Refinado
• Transporte pesado y marítimo
• Almacenamiento de energía de larga duración

Estas industrias también necesitan un combustible limpio, pero la mayor parte del hidrógeno producido hoy sigue procediendo de fuentes fósiles.

Aquí es donde el hidrógeno verde, creado al dividir el agua en hidrógeno y oxígeno mediante electrólisis, ha surgido como una de las vías más prometedoras hacia un futuro con menos carbono. Según el Global Hydrogen Review de la Agencia Internacional de la Energía, la capacidad mundial de electrolizadores para hidrógeno verde se duplicó en 2025 hasta superar los 4 gigavatios, y hay más en construcción para 2026.

La electrólisis de membrana de intercambio de protones (PEM) se ha convertido en una tecnología líder para respaldar esta expansión. Reducir la brecha entre los electrolizadores PEM actuales y el coste, la durabilidad y el rendimiento que la industria necesitará a largo plazo comienza con una comprensión detallada de los materiales dentro de cada stack.

¿Qué es un electrolizador PEM?

La electrólisis PEM es una técnica que utiliza electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno gaseosos. Las celdas de un electrolizador PEM contienen un sistema integrado de componentes críticos, cada uno de los cuales desempeña una función distinta para hacer entrar la electricidad y el agua, y sacar el hidrógeno y el oxígeno. Estos componentes son:

• Membrana de intercambio de protones: permite que los protones pasen del ánodo al cátodo, al tiempo que evita que los gases hidrógeno y oxígeno se mezclen
• Capa catalítica del ánodo: aloja la reacción de evolución de oxígeno (OER), donde el agua se divide en oxígeno gaseoso, protones y electrones, normalmente mediante catalizadores a base de iridio
• Capa catalítica del cátodo: aloja la reacción de evolución de hidrógeno (HER), donde los protones y los electrones se recombinan para formar hidrógeno gaseoso, normalmente utilizando catalizadores a base de platino
• Capas de transporte porosas: llevan el agua hasta las capas catalíticas y dejan salir los gases hidrógeno y oxígeno
• Placas bipolares: distribuyen la corriente eléctrica y el flujo de fluido de manera uniforme por cada celda, y separan una celda de la siguiente en un stack

¿Cómo funciona la electrólisis PEM?

Dentro de la celda, la membrana de intercambio de protones se sitúa entre dos electrodos con carga opuesta, y la reacción de electrólisis tiene lugar a ambos lados de ella:

• En el ánodo (con carga positiva): se introduce agua y una tensión aplicada divide las moléculas de agua H₂O en oxígeno gaseoso, electrones e iones de hidrógeno (H⁺, o protones).
• En el cátodo (con carga negativa): los protones que han atravesado la membrana se recombinan con los electrones que llegan a través de un circuito externo para formar hidrógeno gaseoso.

La membrana de intercambio de protones es fundamental para este proceso. Como material sólido conductor de protones, deja pasar los protones al tiempo que actúa como barrera física que impide que los gases hidrógeno y oxígeno se mezclen.

Esta combinación de funciones es lo que permite que las celdas de un electrolizador PEM funcionen a alta densidad de corriente en un espacio reducido, produciendo al mismo tiempo hidrógeno de muy alta pureza. Cada celda produce solo una pequeña cantidad de hidrógeno a bajo voltaje, por lo que, para lograr una producción a escala industrial, los fabricantes conectan decenas o cientos de estas celdas entre sí, en serie eléctricamente, en lo que se conoce como un «stack».

Por qué la caracterización de materiales es crítica para los electrolizadores PEM

Acelerar la innovación en electrólisis PEM depende de una caracterización de materiales rápida y precisa. Los investigadores necesitan una visión exacta de una amplia gama de propiedades de los materiales, entre ellas:

• Estructura cristalina
• Composición
• Estado de oxidación
• Tamaño de partícula
• Estabilidad de dispersión
• Evolución estructural durante el funcionamiento

Los datos de caracterización conectan directamente estas propiedades con el rendimiento, ayudando a los investigadores a optimizar materiales más rápido y a tomar decisiones de desarrollo basadas en evidencia. Esto representa un cambio más amplio en el campo, alejándose del lento desarrollo por prueba y error y acercándose a la ingeniería de materiales basada en datos.

De manera crucial, la caracterización avanzada ayuda a los investigadores a entender por qué los materiales se comportan como lo hacen y proporciona información esencial sobre cómo pueden mejorarse.

Caracterización de catalizadores de electrolizadores PEM

El desarrollo de catalizadores de electrodos sigue siendo una de las áreas más activas de la investigación en electrólisis PEM, y por una buena razón: los catalizadores son a la vez el cuello de botella técnico y el principal factor de coste en el stack. Gran parte del esfuerzo investigador actual se centra en:

• Reducir la cantidad de iridio utilizada en el ánodo
• Aumentar la actividad catalítica
• Mejorar la durabilidad
• Reducir el coste total del stack

Lograr estos objetivos requiere una comprensión detallada de la estructura del catalizador a lo largo de su ciclo de vida, desde su estado recién sintetizado y durante el funcionamiento activo hasta después del uso o del ciclado. En particular, los estudios de degradación pueden revelar exactamente cómo y por qué disminuye el rendimiento del catalizador con el tiempo, orientando a los investigadores hacia los cambios estructurales o composicionales concretos necesarios para construir electrolizadores más duraderos.

Esa conexión entre la química del catalizador, la estructura y la durabilidad en condiciones reales es lo que vincula directamente la caracterización de materiales con los objetivos de reducción de costes y escalabilidad comercial de la industria.

Técnicas analíticas que apoyan el desarrollo de electrolizadores PEM

Ninguna técnica analítica por sí sola puede decir a los investigadores todo lo que necesitan saber sobre los materiales de sus electrolizadores PEM. Construir una imagen completa de cómo se comporta un material, y por qué, requiere una gama de técnicas complementarias, cada una adecuada para caracterizar una parte distinta del conjunto.

Difracción de rayos X (XRD)

XRD identifica y cuantifica las fases cristalinas presentes en un material catalizador y revela parámetros estructurales clave, como el tamaño de cristalito, la tensión de red y los parámetros de red, a partir de la posición, anchura e intensidad de los picos de difracción.

En la investigación de catalizadores para electrolizadores PEM, XRD encaja de forma natural para supervisar los cambios estructurales a medida que los materiales se desarrollan y envejecen durante su funcionamiento, así como para confirmar la fase cristalina de nuevas aleaciones a base de platino o iridio.

Dado que los datos de XRD pueden adquirirse de forma rápida y repetible, resulta igualmente útil en estudios de degradación, en los que se mide la misma muestra antes y después del ciclado, y en la optimización diaria de materiales.

Nuestros compactos difractómetros de rayos X de sobremesa Aeris cubren las mediciones rutinarias de tamaño de cristalito y fase, mientras que nuestras plataformas modulares Empyrean añaden dispersión de rayos X y capacidad in situ para seguir los cambios estructurales cuando los catalizadores se calientan, se ciclan o se someten a condiciones de funcionamiento realistas.

Fluorescencia de rayos X (XRF)

Mientras XRD revela la estructura, la fluorescencia de rayos X analiza la composición elemental. XRF verifica la composición del catalizador y las cargas de metal precioso: por ejemplo, confirmando que una carga de iridio o platino coincide con la especificación, o comprobando la proporción de metales en un catalizador de aleación de Pt.

Esto la convierte en una opción natural tanto para el control de calidad de materiales como para la consistencia de la producción una vez que una formulación de catalizador pasa a fabricación. Dado que el coste del catalizador está tan estrechamente vinculado al contenido de metal precioso, el análisis elemental preciso permite a los equipos confirmar que realmente están alcanzando los objetivos de carga y composición para los que se diseñó un nuevo material.

Nuestras soluciones XRF para catálisis incluyen el espectrómetro de suelo Zetium, que ofrece la potencia analítica necesaria para la verificación de composición y carga de alta precisión.

El Epsilon 1 de sobremesa aporta análisis elemental rápido y sin necesidad de estándares para el cribado rutinario de catalizadores, mientras que el Epsilon 4, de mayor rendimiento, es adecuado para el control de calidad en línea de producción, donde los volúmenes de muestra son mucho mayores.

XANES y EXAFS

XRD y XRF revelan la estructura cristalina y la composición elemental, pero ninguno muestra lo que ocurre electrónicamente a nivel de átomo individual.

Ahí es donde entra en juego la espectroscopía de absorción de rayos X (XAS). Un espectro XAS se compone de dos regiones:

1. XANES: estructura de absorción de rayos X cerca del borde
2. EXAFS: estructura fina de absorción de rayos X extendida

Cada una revela algo distinto sobre el átomo estudiado. XANES es especialmente sensible al estado de oxidación y a la geometría de coordinación, mientras que EXAFS revela las distancias y los números de coordinación de los átomos vecinos. En conjunto, estas mediciones aportan información sobre los estados de oxidación y el entorno atómico local alrededor de un elemento específico, incluso en materiales complejos, multifásicos o amorfos donde la difracción por sí sola no basta.

Para los electrolizadores PEM, esto es especialmente valioso para estudiar catalizadores de evolución de oxígeno basados en iridio, donde los cambios sutiles en el estado de oxidación y el entorno de coordinación del iridio durante el funcionamiento están estrechamente relacionados tanto con la actividad catalítica como con la degradación a largo plazo. Comprender esos detalles a nivel atómico es lo que permite a los investigadores diseñar catalizadores de nueva generación con mejoras reales en actividad y estabilidad, en lugar de iterar solo sobre la composición global.

Empyrean XAS ofrece datos XANES y EXAFS en laboratorio sobre la misma plataforma modular Empyrean utilizada para XRD y dispersión, de modo que los investigadores de electrolizadores PEM pueden estudiar entornos atómicos locales sin competir por el escaso tiempo de haz de un sincrotrón.

Caracterización de partículas

El tamaño y la dispersión de las partículas del catalizador tienen un efecto directo en el rendimiento de una capa catalítica. Las partículas más pequeñas y bien dispersas exponen más superficie activa por gramo de metal precioso, mientras que las partículas mal dispersas o aglomeradas desperdician potencial catalítico y coste.

Los datos de caracterización de partículas alimentan directamente la formulación y optimización de tintas catalíticas, con aplicaciones típicas que incluyen:

• Dimensionamiento de nanopartículas
• Evaluación de la aglomeración
• Estudios de estabilidad de dispersión

La gama Zetasizer Advance mide el tamaño de nanopartículas y el potencial zeta para evaluar la estabilidad y la dispersión de la tinta catalítica. Además, nuestros sistemas de difracción láser Mastersizer 3000+ caracterizan las distribuciones de tamaño de partículas y aglomerados más amplias, relevantes para polvos y soportes catalíticos.

El análisis de seguimiento de nanopartículas en el NanoSight Pro y el análisis automatizado de imágenes estáticas en la gama Morphologi también añaden una visión complementaria, partícula por partícula, contando y midiendo nanopartículas individuales, y evaluando la forma de los aglomerados, lo que ayuda a confirmar lo que muestran las mediciones globales anteriores.

Técnica	Qué revela
Difracción de rayos X (XRD)	Fase cristalina, tamaño de cristalito, tensión de red
Fluorescencia de rayos X (XRF)	Composición elemental, carga de metal precioso
XANES / EXAFS	Estado de oxidación, entorno atómico local
Caracterización de partículas	Tamaño de partícula, estabilidad de dispersión, potencial zeta

Tendencias futuras en la investigación de electrolizadores PEM

La investigación en electrolizadores PEM avanza continuamente, y el futuro del campo dependerá de innovaciones en una combinación de materiales, fabricación y diseño de sistemas. Varias tendencias convergentes están marcando la dirección de la tecnología, y los desarrolladores buscan lograr:

• Menor uso de metales preciosos: gran parte del esfuerzo investigador se orienta a reducir la carga de iridio en el ánodo sin sacrificar el rendimiento, junto con la búsqueda de químicas de catalizador alternativas y un uso más eficiente del metal precioso que sigue siendo necesario.
• Mayor durabilidad: a medida que la industria se esfuerza por prolongar la vida útil, comprender los mecanismos de degradación en todo el stack está adquiriendo tanta importancia como el rendimiento bruto.
• Sistemas de mayor rendimiento: el trabajo en curso busca densidades de corriente más altas, mejor eficiencia y mayor producción de hidrógeno, al tiempo que intenta reducir los costes de operación.
• Fabricación a escala gigavatio: la fabricación de electrolizadores se está ampliando rápidamente para satisfacer la creciente demanda de hidrógeno, convirtiendo el control de calidad robusto y el rendimiento uniforme de los materiales en volúmenes de producción enormes en un reto de ingeniería emergente por derecho propio.
• Integración con energías renovables: los electrolizadores PEM están asumiendo un papel cada vez mayor en los ecosistemas de energía renovable, con potencial para contribuir al balance de la red, al almacenamiento de energía y al acoplamiento sectorial a medida que más capacidad variable eólica y solar entra en operación.

Avanzar en los electrolizadores PEM mediante una caracterización de materiales más inteligente

Se espera que los electrolizadores PEM desempeñen un papel importante en la ampliación de la producción de hidrógeno verde durante la próxima década, pero llegar hasta ahí depende del rendimiento de los materiales con los que están hechos. Los catalizadores, las membranas y cada otro componente crítico determinan la eficiencia, la durabilidad y el coste de un stack, y mejorarlos comienza con una visión detallada de los materiales.

Las técnicas avanzadas de caracterización, desde XRD y XRF hasta XAS y el análisis de partículas, proporcionan a los investigadores las perspectivas clave que necesitan: permiten a los equipos comprender la degradación, validar nuevos materiales más rápido y reducir el riesgo de desarrollo en el camino hacia la electrólisis PEM de nueva generación.

Obtenga más información sobre cómo las soluciones de caracterización de materiales de Malvern Panalytical ayudan a los investigadores a estudiar los materiales de los electrolizadores PEM, comprender los mecanismos de degradación y acelerar el desarrollo de tecnologías de producción de hidrógeno más eficientes y duraderas. Hable con los especialistas de Malvern Panalytical sobre soluciones analíticas que aportan confianza a la producción de hidrógeno.