Óxido y luz, una posible solución para la producción de hidrógeno con energía solar

Un equipo de científicos japoneses de la Universidad de Ciencias de Tokio, dirigido por el profesor Ken-ichi Katsumata, ha identificado una técnica novedosa de uso de óxido y luz para acelerar la producción de hidrógeno a partir de soluciones de desechos orgánicos, un hallazgo que puede revolucionar la industria de la energía limpia.

En el discurso actual sobre el cambio climático, la contaminación y la disminución de los recursos, un combustible podría cambiar las reglas del juego dentro de la industria energética: el hidrógeno. Cuando se quema en un motor de combustión o en una central eléctrica, el combustible de hidrógeno produce solo agua, por lo que es mucho más limpio que nuestros combustibles fósiles actuales. Sin producción de gases tóxicos, sin contribución al cambio climático y sin smog, el hidrógeno puede ser la respuesta a un futuro de energía más limpia, entonces, ¿por qué no se usa más ampliamente?

Hay dos razones. La primera es que el hidrógeno es altamente inflamable y se escapa con mucha facilidad de los tanques de almacenamiento, lo que causa riesgos potenciales de explosión durante el almacenamiento y transporte. En segundo lugar, aunque el hidrógeno puro se produce naturalmente en la Tierra, no se encuentra en cantidades suficientes para una utilización rentable.

Los átomos de hidrógeno deben extraerse de moléculas como el metano o el agua, lo que requiere una gran cantidad de energía. Aunque existen varias técnicas para producir combustible de hidrógeno, los científicos aún deben hacer que este proceso sea lo suficientemente «eficiente» como para que el hidrógeno sea un combustible comercialmente competitivo en el mercado energético. Hasta que esto se logre, los combustibles fósiles probablemente continuarán dominando la industria.

Durante décadas, los científicos han estado trabajando hacia una forma barata, eficiente y segura de producir combustible de hidrógeno. Uno de los métodos más prometedores para lograr esto es a través de procesos impulsados ​​por la energía solar, utilizando la luz para acelerar (o «catalizar») la reacción para dividir las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno gaseoso.

En la década de 1970, dos científicos describieron el efecto Honda-Fujishima, que utiliza dióxido de titanio como fotocatalizador en la producción de hidrógeno. Sobre la base de esta investigación, un equipo de investigadores japoneses dirigido por el profesor Ken-ichi Katsumata de la Universidad de Ciencias de Tokio, buscó utilizar un catalizador de semiconductores más barato y más fácilmente disponible para esta reacción, con la esperanza de aumentar aún más su eficiencia, reduciendo los costos de producción y seguridad del combustible de hidrógeno. Su estudio publicado en el diario digital Chemistry, indica que, al usar una forma de óxido llamada α-FeOOH o goetita, la producción de hidrógeno bajo la irradiación de la lámpara Hg-Xe puede ser 25 veces mayor que el catalizador de dióxido de titanio bajo la misma luz.

El experimento realizado por el profesor Katsumata y sus colegas tuvo como objetivo abordar los desafíos comunes que se encuentran al usar catalizadores de semiconductores en la producción de hidrógeno impulsado por energía solar. Hay tres obstáculos principales descritos por los autores. El primero es la necesidad de que el material catalizador sea adecuado para el uso de energía luminosa. El segundo es que la mayoría de los fotocatalizadores utilizados actualmente requieren metales raros o «nobles» como cocatalizadores, que son caros y difíciles de obtener. El último problema surge de la producción real de gases de hidrógeno y oxígeno. Si no se separa de inmediato, la mezcla de estos dos gases puede, en el mejor de los casos, reducir la producción de combustible de hidrógeno y, en el peor de los casos, provocar una explosión. Por lo tanto, tenían como objetivo encontrar una solución que no solo pueda aumentar la eficiencia de la reacción,

El equipo identificó un catalizador candidato prometedor en α-FeOOH (un óxido ferroso) y estableció un experimento para evaluar su eficiencia para la producción de hidrógeno y las condiciones experimentales óptimas para su activación. «Nos sorprendió mucho la generación de hidrógeno usando este catalizador», afirma el profesor Katsumata, «porque no se sabe que la mayoría de los óxidos de hierro se reducen a hidrógeno.

Posteriormente, el equipo de Katsumata buscó la condición para activar α-FeOOH y encontró que el oxígeno fue un factor indispensable. “Fue la segunda sorpresa porque muchos estudios mostraron que el oxígeno suprime la producción de hidrógeno al capturar los electrones excitados».

El equipo confirmó el mecanismo de producción de hidrógeno a partir de una solución de agua-metanol utilizando un método de ‘cromatografía de gases-espectrometría de masas’, que muestra que α-FeOOH era 25 veces más activo que el catalizador de dióxido de titanio utilizado en investigaciones anteriores, lo que respalda la producción estable de hidrógeno durante más de 400 horas.

Se requerirá más investigación para optimizar este proceso. El profesor Katsumata explica: «La función específica del oxígeno en la activación de α-FeOOH inducida por la luz aún no se ha presentado. Por lo tanto, explorar el mecanismo es el próximo desafío». Por ahora, estos hallazgos de Katsumata y sus colegas representan nuevos avances en la producción de una fuente de energía limpia y sin emisiones que será fundamental para las sociedades sostenibles del futuro.