Evaluación de cátodos de bajo costo para la producción de hidrógeno en celdas de electrólisis microbianas

Abstract

Las celdas de electrólisis microbianas (CEM) representan una tecnología bioelectroquímica prometedora para la producción sostenible de hidrógeno a partir de materia orgánica; sin embargo, el elevado costo de los materiales catalíticos continúa siendo una limitante para su escalamiento. El presente estudio evaluó el desempeño de materiales catódicos de bajo costo para la producción de hidrógeno en CEM de dos cámaras, comparando espuma de níquel y malla de acero inoxidable como cátodos. Los reactores consistieron en CEM de acrílico separadas por una membrana de intercambio aniónico (AMI-7001), utilizando fieltro de grafito como ánodo, lodo granular anaerobio como inóculo, acetato como fuente de carbono y una solución de NaCl (125 mM) como catolito. Los experimentos se desarrollaron a 30 ± 1 °C bajo control potenciostático, fijando el potencial anódico en +200 mV respecto a Ag/AgCl.

Los resultados obtenidos no mostraron diferencias significativas en la producción global de hidrógeno entre los materiales evaluados. La espuma de níquel alcanzó un rendimiento de 990 ± 94 mL H2/g DQO, una eficiencia coulómbica de 81 ± 7 % y una eficiencia eléctrica de 92 ± 5 %, mientras que el acero inoxidable presentó un rendimiento de 1011 ± 85 mL H2/g DQO, una eficiencia coulómbica de 84 ± 4 % y una eficiencia eléctrica de 84 ± 3 %. Aunque ambos materiales exhibieron una recuperación catódica similar (84 %), la espuma de níquel mostró un menor sobrepotencial catódico y una mayor eficiencia eléctrica, indicando una conversión más eficiente de la energía suministrada hacia la producción de hidrógeno.

Los resultados sugieren que tanto la espuma de níquel como el acero inoxidable constituyen alternativas viables de bajo costo para aplicaciones en CEM; no obstante, la espuma de níquel presenta un desempeño electroquímico superior asociado a mejores propiedades catalíticas para la reacción de evolución de hidrógeno. La implementación de materiales catódicos alternativos podría contribuir a mejorar la viabilidad económica y el potencial de escalamiento de las CEM para la valorización de efluentes agroindustriales y la producción de hidrógeno renovable.