Clatratos: Una forma simple de almacenar hidrógeno

[J.L.G. Fierro]

Los clatratos representan una opción simple de almacenamiento de hidrógeno gaseoso, si bien hasta la fecha la presión externa requerida para mantener la estabilidad de estos compuestos es muy elevada. Esta tecnología ha dado un paso importante recientemente cuando se ha demostrado que incorporando pequeñas cantidades de un disolvente común (tetrahidrofurano) puede reducir sustancialmente esta presión lo que, a su vez, permite almacenamiento de hidrógeno hasta 4% en peso.

Los clatratos son compuestos en los que las moléculas de un gas están encapsuladas en una red cristalina de moléculas de otro compuesto, usualmente agua. Se sabe que los clatratos de agua están presentes en cantidades abundantes en el fondo oceánico, donde dominan presiones suficientemente elevadas para estabilizarlos.

En estos hidratos las moléculas de agua forman cajas en las que un gas “huésped”, como el metano, queda atrapado. Se ha demostrado hace algunos años (Mao, W.L. et al. Science 2002: 297, 2247) que las moléculas de hidrógeno pueden encapsularse en estructuras clatrato a presiones del orden de 2.000 atmósferas, excesivamente elevadas para usarlos como almacén de hidrógeno. Más recientemente (Lee, H. et al. Nature 2005: 434, 743) se ha demostrado que esa presión puede rebajarse hasta 100 atmósferas co-ocluyendo en el propio clatrato moléculas de tetrahidrofurano (THF), lo que permite almacenamiento de hidrógeno hasta 4% en peso. Por tanto, estos clatratos de agua almacenan cantidades de hidrógeno comparables a otros sistemas de almacenamiento, tales como los hidruros de metales ligeros y, por supuesto, tienen una capacidad de almacenamiento superior a otros criosistemas que utilizan adsorbentes con una elevada superficie específica.  

Los clatratos denominados sII, que son los hidratos de gases más comunes, contienen dos tipos de cajas: grandes con diámetro libre de 0.67 nm, y pequeños con diámetro libre próximo a 0.5 nm. Para que los clatratos sean estables se requiere que las cajas grandes estén llenas, mientras que las pequeñas pueden permanecer llenas o incluso vacías. En los clatratos de hidrógeno puro se acomodan cuatro moléculas de hidrógeno en las cajas grandes y otras dos en las pequeñas, lo que proporciona una composición global: (2H₂)₂ (4H₂) 17 H₂O, que corresponde a un contenido de hidrógeno de 5% en peso. Se ha puesto de relieve que se puede conseguir un hidrato estable llenando solamente una parte de las cavidades grandes con THF. La cantidad de THF incorporado es un parámetro esencial. Por encima del umbral 2% molar, solo las cavidades pequeñas acomodan las moléculas de hidrógeno, de tal forma que la capacidad de almacenamiento se reduce a 2% en peso. Por debajo del 4% de THF, el hidrógeno empieza a penetrar en las cavidades más grandes y la capacidad de almacenamiento de H2 alcanza 4% en peso.

Es importante señalar que estos clatratos ofrecen ciertas ventajas que los hacen atractivos para uso en almacenamiento. En particular, los materiales de almacenamiento (agua y THF) son muy baratos comparados a los hidruros metálicos u otras alternativas de almacenamiento químico. No obstante, presentan una barrera importante y es que la velocidad de formación de estos hidratos es generalmente baja, debido al transporte difusional del H₂ que opera durante la formación de la red cristalina del clatrato, y que transcurre a lo largo de días. Recientemente se ha logrado acelerar el proceso de formación de estos clatratos de H2 mediante la dispersión del hidrato sobre microesferas de sílice con elevada superficie específica. Esta modificación tan simple reduce el proceso de formación del hidrato a solamente unas horas. 

No cabe duda que estos avances en almacenamiento de hidrógeno abren la puerta a nuevos desarrollos que permitan almacenar H₂ a presiones por debajo de 100 atmósferas, utilizando materiales de almacenamiento muy simples y en concentraciones superiores a 5% en peso.