Hidrógeno súper verde: nuevos materiales para producir el combustible del futuro

Uno de los principales desafíos en la carrera global por el hidrógeno tiene relación con los costos de producción, particularmente los asociados al proceso de electrólisis que separa las moléculas de oxígeno e hidrógeno del agua para la obtención de dihidrógeno (H2), gas inflamable que ha sido llamado el combustible del futuro. Los avances en investigación e innovación jugarán un rol clave en la industria que Chile, a través de la 'Estrategia Nacional de Hidrógeno Verde', busca desarrollar para convertirse en potencia global de este energético.

En este contexto, investigadores del Departamento de Ingeniería Química, Biotecnología y Materiales de la FCFM, estudian nuevos materiales para mejorar la tecnología de fotoelectrólisis, una forma de obtener de hidrógeno a partir del agua que utiliza directamente la energía del sol mediante celdas fotoelectroquímicas. A diferencia de los sistemas de electrólisis convencionales, vinculados a la producción de hidrógeno verde mediante la electricidad producida por fuentes solares fotovoltaicas o eólicas, “en estas celdas, la conversión de radiación solar en energía eléctrica y la electrólisis ocurren simultáneamente, es decir, reduce el sistema convencional de dos equipos a sólo uno”, señala Melanie Colet, académica que lidera esta investigación.

Esta especie de “hidrógeno super verde” no sólo ofrecería una alternativa más amigable con el medio ambiente, también involucraría menores costos. “Esto se asocia con un menor impacto ambiental en términos de uso de terrenos y requerimiento de materias primas. En principio, los materiales deberían ser menos costosos, ya que las materias primas usadas para producirlos son abundantes y sus procesos de producción no son costosos. Pero el análisis acabado de esto y del impacto ambiental de cada tecnología aún es muy preliminar”, comenta la investigadora.

Materiales promisorios

La investigación liderada por Melanie Colet estudia principalmente nuevos materiales estables que puedan mejorar el proceso de fotoelectrólisis, entre los que destacan óxidos y sulfuros de metales de transición.

Explica que estas celdas fotoelectroquímicas transforman la radiación solar en electricidad a través de ánodos y cátodos fotoactivos. “Estos materiales corresponden a semiconductores capaces de absorber la radiación solar y promover espontáneamente una corriente eléctrica que circula desde el ánodo hacia el cátodo, permitiendo que moléculas de agua se rompan en la superficie del ánodo, formando oxígeno y protones, los cuales viajan a través del electrolito hacia el cátodo para formar hidrógeno”, detalla.

Una celda fotoelectroquímica, agrega, “no es muy diferente a una celda de electrólisis convencional, la principal diferencia es que los electrodos son fotoactivos. El hidrógeno evoluciona en el cátodo en forma de gas, al igual que en las celdas de electrólisis convencionales, el cual es capturado y almacenado o enviado a una celda de combustible”.

Por esta razón, indica, los estudios están centrados en óxidos para el caso de los fotoánodos y en sulfuros para el caso de los fotocátodos. “Hay grandes avances respecto a materiales para fotoánodos, ya que existen diversos óxidos que presentan buena fotoactividad y estabilidad bajo condiciones de evolución de oxígeno. En el caso de los fotocátodos el desafío es mayor, ya que sobre este electrodo ocurre la evolución de hidrógeno, y en este ambiente reductor los óxidos no muestran estabilidad. Es por eso que se han comenzado a estudiar sulfuros que parecen ser prometedores dados los resultados preliminares”, plantea la académica.

La hematita dopada y óxidos de tungsteno modificados son algunos de los materiales prometedores para el escalamiento de la tecnología en los fotoánodos, afirma Melanie Colet. Sin embargo, advierte que el desafío mayor, junto con mejorar la actividad fotocatalítica de los fotoánodos, es encontrar fotocátodos estables y con buena fotoactividad, donde algunos de los materiales más prometedores hasta el momento son los sulfuros de cobre y de molibdeno.

Esta investigación fue impulsada a partir de un Proyecto Redes de Colaboración Internacional con Imperial College London y la University of Bath, el cual finalizó a mediados de 2019 y ha continuado en el marco de dos tesis de doctorado. Frente a la importancia de seguir avanzando en estos estudios y la importancia que tienen en el marco del desarrollo del hidrógeno en Chile, la académica señala que actualmente buscan nuevas fuentes de financiamiento para potenciar aún más la investigación en esta línea.