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Hidrógeno: escalando la fotosíntesis artificial para enfrentar la crisis energética

Sobre el blog

Fernando Arbe Falcón
INGENIERO AGRICOLA con experiencia en tecnología de la información y comunicaciones. He participado en proyectos de Agua y Saneamiento Rural en Perú. Actualmente me desempeño como redactor de contenidos.
  • Hidrógeno: escalando fotosíntesis artificial enfrentar crisis energética

En estos últimos tiempos, se ha prestado mucha atención al  hidrógeno como una posible fuente de energía del futuro. Esto no solo se debe a que el hidrógeno tiene la mayor densidad de energía por peso  entre los combustibles disponibles, sino que su combustión genera solo agua como subproducto. Por ejemplo, el hidrógeno tiene una densidad energética 3 veces superior que la del combustible diésel.  El hidrógeno posee 141,80 MJ/Kg mientras que el combustible diésel tiene 44,80 MJ/Kg (valores referidos a poder calorífico superior - HHV).

Pero el problema es que casi toda la producción mundial de hidrógeno proviene de subproductos de la purificación de hidrocarburos. Por lo tanto, resulta imperioso emplear un método productivo alternativo si queremos satisfacer la demanda energética del mañana. Esto es tanto más urgente por cuanto el empleo de hidrocarburos contribuye al efecto invernadero y sus costos son cada vez más elevados.

El 28 de octubre del 2022 en la página web de iAgua apareció la siguiente noticia: “Una técnica revolucionaria genera hidrógeno de manera más eficiente a partir del agua”. En este artículo destacaba el descubrimiento de un nuevo método para la obtención de hidrogeno a partir del agua empleando la luz. (1)

Afortunadamente los descubrimientos no cesan y el 04 de enero del presente año la universidad de Michigan publicó un artículo en el cual se menciona que: “Un nuevo tipo de panel solar, desarrollado en la Universidad de Michigan, ha logrado una eficiencia del 9% en la conversión de agua en hidrógeno y oxígeno dando un paso crucial en la imitación de la fotosíntesis natural. Al aire libre, representa un gran salto en la tecnología, casi 10 veces más eficiente que los experimentos solares de división de agua de este tipo” (2). Este artículo alude a un estudio denominado “Solar-to-hydrogen efficiency of more than 9% in photocatalytic water splitting” (3).

La separación fotocatalítica de agua se basa en el empleo de fotocatalizadores. Estas son materiales semiconductores, en este caso partículas, que tienen la propiedad de separar del agua el hidrógeno y el oxígeno ante la presencia de luz (ver figura 1a). La idea es esparcir estas partículas sobre un panel con una fina capa de agua sobre él de tal manera que, al reaccionar a la luz solar, se puedan generar burbujas de O2 yH2 (ver figura 1b ). Estos gases, en estado molecular, posteriormente son separados. Un esquema de un probable dispositivo se muestra en la figura 1c.


Figura 1  (a) Fotocatalizador y reacción química, (b) Esquema de funcionamiento de un panel fotocatalizador de división de agua (c) Representación física de un panel fotocatalizador típico.

Esta tecnología ya existe, incluso se han desarrollado dispositivos y prototipos en el pasado (4). Sin embargo, la eficiencia de ellos siempre ha sido baja. El valor de este estudio consiste en haber incrementado la eficiencia del proceso de conversión. Para ello se valieron de dos medios:

Primero, concentrar la luz solar en una pequeña área para así disminuir la superficie semiconductora. "Redujimos el tamaño del semiconductor en más de 100 veces en comparación con algunos semiconductores que solo funcionan con baja intensidad de luz", dijo Peng Zhou, investigador de la U-M en ingeniería eléctrica e informática y primer autor del estudio. "El hidrógeno producido por nuestra tecnología podría ser muy barato", agregó.

El segundo consiste en utilizar tanto la parte de mayor energía del espectro solar para dividir el agua como la parte inferior del espectro para proporcionar el calor que fomenta la reacción. Las temperaturas más altas aceleran el proceso de división del agua, y el calor adicional fomenta que el hidrógeno y el oxígeno permanezcan separados en lugar de renovar sus enlaces y formar agua una vez más.

Para este estudio se empleó un catalizador constituido por nanoestructuras de nitruro de indio y galio, incrustadas sobre una superficie de silicio. Esto asegura una tolerancia a la luz y al calor generados al concentrar la radiación solar sobre él.

Fuentes:

(1) Una técnica revolucionaria genera hidrógeno de manera más eficiente a partir del agua. Iagua. 27 de octubre del 2022

(2) Cheap, sustainable hydrogen through solar power. Michigan News. University of Michigan. 4 January 2023

(3) Peng Zhou, Ishtiaque Ahmed Navid, Yongjin Ma, Yixin Xiao, Ping Wang, Zhengwei Ye, Baowen Zhou, Kai Sun, Zetian Mi. Solar-to-hydrogen efficiency of more than 9% in photocatalytic water splitting. Nature, 2023; 613 (7942): 66 DOI: 10.1038/s41586-022-05399-1

(4) Nishiyama, H., Yamada, T., Nakabayashi, M. et al. Photocatalytic solar hydrogen production from water on a 100-m2 scale. Nature 598, 304–307 (2021). Disponible aquí.