Un equipo de investigación dirigido por la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia, ha presentado una nueva forma de producir hidrógeno gaseoso sin el platino, un metal escaso y costoso. Utilizando luz solar, agua y diminutas partículas de plástico conductor de electricidad, los investigadores demuestran cómo se puede producir hidrógeno de forma eficiente, sostenible y económica
El hidrógeno desempeña un papel fundamental en la búsqueda global de energías renovables. Si bien su uso solo produce agua como subproducto, aún quedan importantes desafíos para que pueda producirse a gran escala y de forma respetuosa con el medioambiente.
Un desafío importante es el uso del platino como cocatalizador cuando se utiliza luz solar y agua para producir hidrógeno. Las reservas de platino de la Tierra son limitadas, y su extracción conlleva riesgos tanto para el medioambiente como para la salud humana. Además, la producción se concentra en unos pocos países, como Sudáfrica y Rusia.
En un nuevo estudio, publicado en la revista científica Advanced Materials, un equipo de investigación dirigido por el profesor Ergang Wang en Chalmers, muestra cómo se puede utilizar la energía solar para producir gas hidrógeno de manera eficiente y completamente sin platino.
El proceso, explica el investigador de Chalmers, Alexandre Holmes, implica cantidades diminutas de plástico conductor de electricidad. Sumergidas en agua, las partículas interactúan tanto con la luz solar como con su entorno.
“Desarrollar fotocatalizadores eficientes sin platino ha sido un sueño de larga data en este campo. Al aplicar un diseño avanzado de materiales a nuestras partículas de plástico conductor, podemos producir hidrógeno de forma eficiente y sostenible sin platino, a un coste radicalmente menor y con un rendimiento que incluso puede superar a los sistemas basados en platino”, afirma Holmes, quien, junto con Jingwen Pan, del grupo de Jiefang Zhu en la Universidad de Uppsala, es el primer autor del artículo.
El miedo al agua curado detrás del éxito
En el grupo de investigación de Wang en Chalmers se han estado realizando esfuerzos durante varios años para superar el cuello de botella del platino.
La clave del nuevo enfoque reside en el diseño avanzado de materiales del plástico conductor de electricidad utilizado en el proceso. Este tipo de plástico, conocido como polímeros conjugados, absorbe la luz eficientemente, pero suele ser menos compatible con el agua.
Al ajustar las propiedades del material a nivel molecular, los investigadores lograron que el material fuera mucho más compatible con el agua.
También desarrollamos una forma de moldear el plástico en nanopartículas que pueden mejorar las interacciones con el agua y acelerar el proceso de conversión de luz en hidrógeno. La mejora se debe a cadenas de polímeros más flexibles e hidrofílicas dentro de las partículas, afirma Holmes.
En el reactor del laboratorio de química de Chalmers se pueden ver fácilmente a simple vista burbujas de gas hidrógeno a medida que se forman, lo que demuestra que la fotocatálisis se está realizando de manera eficiente.
Al dirigir una lámpara con luz solar simulada hacia un vaso de precipitados con agua que contiene las nanopartículas, se forman casi de inmediato pequeñas burbujas de gas hidrógeno que ascienden por el agua. Las burbujas se recogen y se conducen a través de tubos hasta un recipiente de almacenamiento, donde la cantidad de gas producido se puede monitorizar en tiempo real.
“Con tan solo un gramo de material polimérico, podemos producir 30 litros de hidrógeno en una hora”, afirma Holmes.
No sólo eso, un avance publicado recientemente por colegas investigadores de Chalmers muestra que el plástico eléctricamente conductor también se puede producir sin el uso de productos químicos nocivos y de una manera mucho más rentable.
Evitando otro ingrediente caro: la vitamina C
El próximo gran paso del grupo de Wang será hacer que el proceso del hidrógeno funcione utilizando sólo luz solar y agua, sin ningún producto químico auxiliar añadido.
Actualmente, se utiliza vitamina C, que actúa como un antioxidante sacrificial. Al donar electrones, evita que la reacción se detenga, lo que en el laboratorio puede mostrar altas tasas de producción de hidrógeno.
Para lograr hidrógeno solar verdaderamente sostenible, explica el profesor Wang, el objetivo es dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno simultáneamente, utilizando la luz solar y el agua como únicos insumos.
“Eliminar la necesidad de platino en este sistema es un paso importante hacia la producción sostenible de hidrógeno para la sociedad. Ahora estamos empezando a explorar materiales y estrategias para lograr la descomposición total del agua sin aditivos. Esto requerirá algunos años más, pero creemos que vamos por buen camino”, afirma el investigador principal, Ergang Wang, profesor del Departamento de Química e Ingeniería Química de Chalmers.
Fotografía: Cortesía Universidad Tecnológica de Chalmers | Mia Halleröd Palmgren
