Luz en lugar de electricidad: Un nuevo tipo de «hidrógeno verde»
Technische Universität Wien
Modelos estructurales de dos clústeres que permiten la división del agua en O2 y H2 mediante la energía luminosa
En la actualidad, el hidrógeno verde suele crearse dividiendo el agua con corriente eléctrica procedente de fuentes de energía renovables. Los científicos de la Universidad Técnica de Viena han desarrollado un nuevo diseño de fotocatalizador que podría hacer este proceso más directo y controlable.
El hidrógeno podría ser una parte importante de nuestro futuro suministro de energía: Puede almacenarse, transportarse y quemarse cuando sea necesario. Sin embargo, la mayor parte del hidrógeno disponible en la actualidad es un subproducto de la producción de gas natural, algo que debe cambiar por razones de protección del clima.
La mejor estrategia hasta ahora para producir «hidrógeno verde» respetuoso con el medio ambiente es dividir el agua en hidrógeno y oxígeno utilizando electricidad procedente de fuentes de energía renovables, por ejemplo, células fotovoltaicas.
Sin embargo, sería mucho más fácil si la luz solar pudiera utilizarse directamente para dividir el agua. Esto es exactamente lo que los nuevos catalizadores están haciendo posible, en un proceso llamado «división fotocatalítica del agua». El concepto aún no se utiliza a nivel industrial. En la Universidad Técnica de Viena se han dado pasos importantes en esta dirección: a escala atómica, los científicos han conseguido una nueva combinación de catalizadores moleculares y de estado sólido que pueden realizar el trabajo utilizando únicamente materiales relativamente baratos.
Interacción de diferentes átomos
«En realidad, para poder dividir el agua con la luz hay que resolver dos tareas al mismo tiempo», dice Alexey Cherevan, del Instituto de Química de Materiales de la Universidad Técnica de Viena. «Tenemos que pensar en el oxígeno y en el hidrógeno. Los átomos de oxígeno del agua deben transformarse en moléculas de O2, y los iones de hidrógeno restantes -que son sólo protones- deben convertirse en moléculas de H2».
Ahora se han encontrado soluciones para ambas tareas: Diminutos grupos inorgánicos formados por un número reducido de átomos se anclan en una superficie de estructuras de soporte que absorben la luz, como el óxido de titanio. La combinación de clústeres y soportes semiconductores cuidadosamente elegidos conduce al comportamiento deseado.
Los cúmulos responsables de la oxidación del oxígeno están formados por cobalto, tungsteno y oxígeno, mientras que los cúmulos de azufre y molibdeno son especialmente adecuados para crear moléculas de hidrógeno. Los investigadores de la Universidad Técnica de Viena fueron los primeros en depositar estos cúmulos en una superficie de óxido de titanio, donde pueden actuar como catalizadores para la división del agua.
«El óxido de titanio es sensible a la luz, eso ya se sabía», dice Alexey Cherevan. «La energía de la luz absorbida conduce a la creación de electrones en movimiento libre y cargas positivas en movimiento libre en el óxido de titanio. Estas cargas permiten que los grupos de átomos asentados en esta superficie faciliten la división del agua en oxígeno e hidrógeno».
Control preciso, átomo por átomo
«Otros grupos de investigación que trabajan en la división del agua con luz se basan en nanopartículas que pueden adoptar formas y propiedades superficiales muy diferentes», explica Alexey Cherevan. «Los tamaños son difíciles de controlar, los átomos no están dispuestos de la misma manera. Por eso, en este caso, no es posible explicar exactamente cómo se produce el proceso de catálisis en detalle». En cambio, en la TU Wien se determina con precisión atómica la estructura exacta de los clústeres, lo que permite comprender plenamente el ciclo catalítico.
«Es la única forma de obtener información sobre de qué depende realmente la eficacia del proceso», afirma Alexey Cherevan. «No queremos limitarnos a un enfoque de ensayo y error y probar diferentes nanopartículas hasta encontrar la mejor: queremos averiguar a nivel atómico cuál es realmente el catalizador óptimo».
Ahora que se ha demostrado que los materiales seleccionados son realmente adecuados para dividir el agua, el siguiente paso es afinar más su estructura exacta para conseguir eficiencias aún mayores.
Simple y prometedor
«La ventaja decisiva de nuestro método frente a la división del agua por electrólisis es su sencillez», subraya Alexey Cherevan. La producción de hidrógeno eléctrico necesita primero una fuente de energía sostenible, como células fotovoltaicas, posiblemente un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica y una célula de electrólisis. En conjunto, esto da lugar a un sistema relativamente complejo compuesto por una multitud de materias primas. En cambio, para la división fotocatalítica del agua sólo se necesita una superficie convenientemente revestida, cubierta de agua e irradiada por el sol.
A largo plazo, estos conocimientos también podrían utilizarse para producir moléculas más complicadas utilizando el concepto de fotosíntesis artificial. Incluso sería posible utilizar la energía de la radiación solar para producir hidrocarburos con el dióxido de carbono de la atmósfera y el agua, que luego podrían utilizarse para otras aplicaciones.
Publicación originalS. Batool et al., Surface-Anchoring and Active Sites of [Mo3S13]2- Clusters as Co-Catalysts for Photocatalytic Hydrogen Evolution. ACS Catalysis, 2022, 12, 6641-6650.
S.P. Nandan et al., Immobilization of a [CoIIICoII(H2O)W11O39]7- Polyoxoanion for Photocatalytic Oxygen Evolution Reaction, ACS Materials Au, 2022, just accepted.
