Nuevos materiales para convertir las depuradoras en fábricas de hidrógeno verde

La enorme demanda mundial de energía es una de las principales preocupaciones a las que se enfrenta nuestra sociedad. La sobrepoblación y la industrialización han llevado al consumo extremo de los tradicionales y altamente contaminantes, combustibles fósiles. La Unión Europea (UE) aspira a ser climáticamente neutra en 2050, con una economía con cero emisiones netas de gases de efecto invernadero, en consonancia con el Acuerdo de París de 2015.

El hidrógeno es un vector energético limpio y un candidato prometedor para sustituir al carbono, ya que es el elemento más abundante del universo, es sostenible, no es tóxico y tiene un alto rendimiento energético. Además, es respetuoso con el medio ambiente si se produce a partir de materias primas renovables y sostenibles, como el agua, denominándose hidrógeno verde.

Sin embargo, el camino no está exento de retos. El principal de ellos se relaciona con la naturaleza del proceso para generar el hidrógeno deseado en las cantidades, forma y pureza adecuadas. La fuente natural de obtención es el agua, el recurso más abundante de nuestro planeta. Sin embargo, la división del agua en sus componentes fundamentales, hidrógeno y oxígeno, no es trivial y requiere de un aporte energético muy elevado.

Hasta el momento, esta tecnología ha funcionado muy bien con aguas relativamente puras. Sin embargo, la verdadera limitación radica en el empleo de aguas contaminadas, residuales o incluso marinas, más abundantes y de acceso inmediato, pero más complejas al presentar un elevado porcentaje de materia orgánica y distintos iones inorgánicos. Estos impactan en el proceso de generación del hidrógeno, modificando la velocidad de producción del gas y la reciclabilidad de los materiales catalizadores.

¿Y cómo generamos hidrógeno?

En la actualidad, el proceso de generación de hidrógeno implantado a escala industrial es la electrolisis, en el que la molécula de agua se divide en sus componentes elementales mediante la acción de una corriente eléctrica. La alta eficiencia y pureza del producto obtenido contrastan con el elevado coste de sus materiales (electrodos de platino, iridio y rutenio, membrana de Nafion®), mantenimiento de las celdas (400-700 $·kW⁻¹) y el precio de la corriente eléctrica necesaria (6-7 kW·h por m³ de hidrógeno).

Además, el proceso muestra una gran dependencia de la composición del agua y la concentración de los compuestos químicos, dificultando la producción de hidrógeno a partir de aguas contaminadas.

Como alternativa, surge la vía fotocatalítica. En este caso, el hidrógeno se produce por la fotodivisión de la molécula de agua empleando un catalizador que absorbe la luz solar. Si bien la eficiencia de este método es inferior a la observada en la electrolisis (<10% vs. <70%), también lo es el coste de fabricación y mantenimiento.

Idealmente, la reacción global de descomposición del agua consta de dos semirreacciones: producción de hidrógeno (la que nos interesa) y de oxígeno. Desafortunadamente, la reacción global suele verse ralentizada por este último gas, de más volumen que el hidrógeno, y que debe ser evacuado para una producción constante del producto.

Sin embargo, cuando esta tecnología se emplea en aguas contaminadas o residuales, el oxígeno generado en el proceso reacciona con la materia orgánica. De esta manera, no solo ayuda a su fotodegradación, sino también genera mayor cantidad de hidrógeno respecto al uso de agua pura porque no es necesario aplicar tanta energía ni hace necesario evacuar el oxígeno.

Además, los productos secundarios de estos procesos suelen ser menos tóxicos, generando un agua que, si bien aún no es apta para el consumo humano, ya no contiene gran parte de los contaminantes anteriormente presentes.

Lamentablemente, la viabilidad de un dispositivo a gran escala basado en esta aproximación aún no está demostrada. Entre otros motivos, debido a la limitada disponibilidad de fotocatalizadores robustos, sintetizables en gran escala, con una actividad catalítica elevada y estables en las condiciones de trabajo.

Nuevos compuestos para hacer viable el proceso

En IMDEA Energía participamos en el proyecto HYLIOS, que tiene como objetivo la fabricación de nuevos sistemas fotocatalíticos para la producción de hidrógeno verde a partir de aguas residuales, en colaboración con el Instituto de Tecnología Química (ITQ, CSIC-UPV, Universitat Politècnica de València) y otras entidades de carácter industrial y empresarial que incluyen a Lantania, Ansasol y el Centro Tecnológico Industrial de Castilla-La Mancha (ITECAM).

Nuestro trabajo consiste en diseñar materiales innovadores capaces de captar de forma eficiente la energía del sol y emplearla en la producción de hidrógeno a partir de aguas contaminadas. La meta es generar hidrógeno en estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR). El oxígeno producido se puede emplear para el tratamiento de potabilización de las propias aguas, al destruir la materia orgánica en suspensión y degradando gran parte de las moléculas orgánicas del medio, disminuyendo así su toxicidad.

Proponemos la fabricación de unos polímeros denominados redes metal-orgánicas (de Metal-Organic Frameworks, MOF), que facilitan la fotodivisión de la molécula de agua.

Recientemente, hemos desarrollado el MOF IEF-11 (de IMDEA Energy Frameworks), basado en las unidades fotoactivas titanio y ácido escuárico, logrando una de las mayores eficiencias fotocatalíticas descritas hasta el momento en la reacción de la fotodivisión del agua para un material de tipo MOF, y comparable al fotocatalizador por excelencia, el óxido de titanio.

En HYLIOS trabajamos en la modificación de este polímero con objeto de mejorar la estabilidad y la actividad del sistema, modulando la fracción de radiación de luz solar que puede absorber.

Así, esperamos solventar no solo el problema de la carencia actual de materiales fotoactivos estables, sino también convertir las estaciones de aguas residuales en pequeñas plantas de producción de hidrógeno verde.

Artículo de Javier Ferrando Ferrero, IMDEA ENERGÍA; Patricia Horcajada, IMDEA ENERGÍA y Sergio Carrasco, IMDEA ENERGÍA.