Autora: Eva María Fernández Sánchez.
Los nanoagregados, agregados atómicos o clusters son nanopartículas formadas por entre tres y unas pocas decenas de millones de unidades que pueden ser átomos o moléculas (para más información ver la entrada del blog del 9 de junio de 2025: ¿Qué son los nanoagregados?). Estos sistemas tienen numerosas aplicaciones ya que sus propiedades dependen tanto de su tamaño como de su composición. Una de estas aplicaciones es su contribución para resolver problemas medioambientales y, en concreto, como materiales para almacenar hidrógeno. El hidrógeno se considera una de las fuentes alternativas de energía más prometedoras, ya que es el gas más abundante en el universo, es el combustible con la mayor densidad de energía específica y no genera gases de efecto invernadero ya que su único residuo es vapor de agua. No obstante, esta tecnología todavía se enfrenta a un desafío importante: lograr que el almacenamiento del hidrógeno y su distribución sea segura, fiable, compacta y respetuosa con el medio ambiente.
Existen principalmente tres formas de almacenar hidrógeno: como hidrógeno comprimido, como hidrógeno líquido y como hidrógeno almacenado en materiales. El hidrógeno comprimido se encuentra a presiones muy elevadas, se necesitan depósitos grandes, pesados y voluminosos, y presenta problemas de seguridad en caso de fugas o accidentes. A pesar de ello es el sistema más utilizado, por ejemplo, en automoción. En el segundo caso, hidrógeno líquido, son necesarias temperaturas muy bajas (-253ºC), para lo que se requiere aportar una gran cantidad de energía y un aislamiento efectivo, lo que conllevan un gran coste económico. Por último, el hidrógeno puede almacenarse en materiales. En este caso el hidrógeno puede estar absorbido sobre la superficie o en su interior. Dentro de este último tipo de almacenamiento se encuentran los nanoagregados, por lo que vamos a profundizar un poco más en ello.
Existen diferentes formas de almacenamiento de hidrógeno en materiales como podemos ver en la figura 1:
a) Adsorción en materiales. El hidrógeno se adsorbe a la superficie del material ya sea como hidrógeno molecular o atómico. Dentro de este tipo de adsorción se encuentran los nanoagregados.
b) Hidrógeno intermetálico. El hidrógeno puede ser absorbido de forma que la molécula de H2 se disocia y es incorporada al interior del material.
c) Hidruros complejos. El hidrógeno se almacena formando compuestos químicos que contienen hidrógeno.
d) Hidruros químicos. Los compuestos con hidrógeno se unen con el agua de forma que el hidrógeno se almacena tanto en el material como en el agua.
Figura.1: Distintas formas de almacenar hidrógeno en materiales (figura obtenida de https://synerhy.com/2022/02/metodos-de-almacenamiento-del-hidrogeno).
El almacenamiento de hidrógeno en materiales es considerado como la alternativa a las dos primeras formas de almacenamiento ya que presenta mayor capacidad de almacenamiento (la cantidad de hidrógeno adsorbido aumenta de menor a mayor de a) a d)), eficiencia y seguridad porque permite el uso de tanques más ligeros, baratos y seguros al trabajar a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente y a presión atmosférica. Sin embargo, también hay algún inconveniente. Es necesario mejorar la densidad energética volumétrica y gravimétrica debido a la dificultad de disociar el hidrógeno molecular e incrementar la superficie de adsorción.
La adsorción en nanoagregados podría resolver algunos de esos problemas. Existen tres tipos de adsorción de hidrógeno en agregados: química, física e intermedia. En el primer caso, la molécula de hidrógeno se disocia y los átomos de hidrógeno se adsorben fuertemente en la superficie, sin embargo, el hidrógeno es muy difícil de desorber. En el segundo caso la molécula de hidrógeno está poco adsorbida y no puede disociarse fácilmente. Por último, la adsorción intermedia en la que el enlace de hidrógeno se debilita y los átomos de hidrógeno se separan sin llegar a romperse, permitiendo posteriormente disociarlos. Este último tipo de absorción es la que nos interesa para el almacenamiento de hidrógeno.
¿Cómo podemos aumentar la superficie de adsorción y facilitar la disociación del hidrógeno? Esto se puede conseguir reduciendo el tamaño del sistema e introduciendo átomos dopantes. Reduciendo el tamaño del agregado aumentamos la proporción de átomos en superficie dando lugar a una mayor superficie de adsorción. Por otro lado, introduciendo un átomo dopante podemos facilitar la disociación del hidrógeno de forma que la energía necesaria para la ruptura de la molécula de hidrógeno disminuya significativamente.
Dentro de los agregados para almacenar hidrógeno podemos destacar los de aluminio, por su bajo precio (mucho más barato que el platino, que es el elemento más utilizado en este campo) y por su alta capacidad de almacenamiento. No obstante, tiene algunos problemas: la reacción es muy lenta y la barrera de disociación del hidrógeno es demasiado alta. Sin embargo, si introducimos un átomo de vanadio como dopante podemos facilitar la disociación del hidrógeno. En la figura 2 a) podemos ver cómo la adsorción de hidrógeno depende del tamaño del agregado, es decir, del número exacto de átomos de aluminio que lo forman. Por ejemplo, los agregados con dos y diez átomos de aluminio presentan una gran adsorción de hidrógeno. Además, en la figura 2 b) vemos que la barrera de disociación para estos dos tamaños es baja, favoreciendo la adsorción disociativa del hidrógeno.
(figuras obtenidas de [1]).
Por último, en el siguiente vídeo se presenta una animación en la que podemos ver un posible camino de reacción para la disociación de hidrógeno molecular en el agregado de 10 átomos de aluminio dopado con vanadio. Como vemos, inicialmente el hidrógeno se adsorbe como hidrógeno molecular cerca del átomo de vanadio que facilita su disociación. Una vez que la molécula de hidrógeno se ha disociado los dos átomos de hidrógeno se adsorben entre el átomo de vanadio y un aluminio. Finalmente, los átomos de hidrógeno se difunden hasta situarse en la posición más estable, un átomo de hidrógeno adsorbido sobre un átomo de aluminio y el otro entre ese mismo átomo de aluminio y el vanadio.
En definitiva, para resolver el problema del almacenamiento de hidrógeno una de las opciones más prometedoras es la adsorción en nanoagregados ya que jugando con el número de átomos y la composición del sistema, podemos contribuir a un mayor almacenamiento de forma segura, fiable, compacta y ecológica.
Dentro de la UNED, este es un campo de investigación en el que se está trabajando en el grupo investigación de Física Estadística de Sistema Complejos
https://www.uned.es/universidad/inicio/investigacion/Institutos-centros-grupos-investigacion/grupos-investigacion/fisica-estadistica-de-sistemas-complejos.html?idContenido=1.
Autora: Eva María Fernández Sánchez
Eva María Fernández Sánchez es profesora del Departamento de Física Fundamental de la UNED.
Referencias
[1] Vanbuel, J., Fernández, E. M., Ferrari, P., Gewinner, S., Schöllkopf, W., Balbás, L. C., Fielicke, A. & Janssens, E. (2017). Hydrogen Chemisorption on Singly Vanadium‐Doped Aluminum Clusters. Chemistry–A European Journal, 23(62), 15638-15643.