En la transición energética hacia un modelo más sostenible, el hidrógeno se plantea como una de las alternativas que pueden ocupar un hueco (menor o mayor todavía por determinar) para sustituir a los hidrocarburos. El hidrógeno verde es la opción más deseada por su baja huella de carbono, y unos investigadores suizos acaban de descubrir un nuevo método para obtener hidrógeno a partir del agua contenida en el aire.
Se trata de un dispositivo alimentado por energía solar que puede obtener agua del aire y proporcionar combustible de hidrógeno, que ha sido desarrollado por el ingeniero químico Kevin Sivula y su equipo de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza. Cuando el dispositivo se expone a la luz solar, toma agua del aire y es capaz de producir hidrógeno. Es una evolución del proceso llamado división fotoelectroquímica del agua (PEC).
Una celda PEC se conoce generalmente como un dispositivo que utiliza la luz incidente para estimular un material fotosensible sumergido en una solución líquida, como un semiconductor, para provocar una reacción química. Sin embargo, lo novedoso del sistema de Sivula y su equipo es que consigue mejorar dicho proceso.
El sistema tiene una tecnología basada en semiconductores con electrodos de difusión de gas, que tienen varias características clave. Son porosos, lo que maximiza el contacto con el agua en el aire; son transparentes, para maximizar la exposición a la luz solar del revestimiento semiconductor; y son conductores, lo que permite la energía solar convierta el agua (que está en estado gaseoso en el aire) en combustible de hidrógeno.
El equipo de científicos, pertenecientes al Laboratorio de Ingeniería Molecular de Nanomateriales Optoelectrónicos de la EPFL, ha llevado a cabo su investigación en colaboración con Toyota Motor Europe. Dicen los investigadores que se inspiraron en la fotosíntesis de las plantas, el proceso mediante el cual estas pueden convertir la luz solar en energía química utilizando el dióxido de carbono del aire.
Una planta consigue dióxido de carbono y agua de su entorno y, con la energía de la luz solar, puede transformar estas moléculas en azúcares y almidones que sirven como nutrientes para la planta. La energía de la luz solar se almacena en forma de enlaces químicos dentro de los azúcares y almidones. En el caso del dispositivo solar de Sivula y su equipo, los electrodos transparentes de difusión de gas, cuando están recubiertos con un material semiconductor captador de luz, actúan como una hoja artificial, capturando agua del aire y luz solar para producir hidrógeno. Aquí la energía de la luz solar se almacena en forma de enlaces de hidrógeno.
«Desarrollar nuestro prototipo fue un desafío, ya que los electrodos de difusión de gas transparentes no se habían demostrado previamente, y tuvimos que desarrollar nuevos procedimientos para cada paso. Sin embargo, dado que cada paso es relativamente simple y escalable, creo que nuestro enfoque abrirá nuevos horizontes para una amplia gama de aplicaciones a partir de sustratos de difusión de gas para la producción de hidrógeno impulsada por energía solar», explica Marina Caretti, autora principal del trabajo.
Mientras que la celda fotoelectroquímica (PEC) tiene desventajas, como fabricarlas de tamaño suficiente para utilizar líquido, Sivula quería demostrar que la tecnología PEC se puede adaptar para recolectar humedad del aire, lo que llevó al desarrollo de su nuevo electrodo de difusión de gas. Ahora, los investigadores están centrando sus esfuerzos en optimizar el sistema. ¿Cuál es el tamaño de fibra ideal? ¿El tamaño de poro ideal? ¿Los semiconductores y materiales de membrana ideales? Estas son preguntas que se están abordando en el Proyecto de la UE "Sun-to-X", que se dedica a avanzar en esta tecnología y desarrollar nuevas formas de convertir hidrógeno en combustibles líquidos.
¿Cómo se fabrican los electrodos transparentes de difusión de gas?
Para hacer electrodos de difusión de gas transparentes, los investigadores comienzan con un tipo de lana de vidrio, que son esencialmente fibras de cuarzo (también conocido como óxido de silicio) y lo procesan en obleas de fieltro al fusionar las fibras a alta temperatura. A continuación, la oblea se recubre con una película delgada transparente de óxido de estaño dopado con flúor, un elemento conocido por su excelente conductividad, robustez y facilidad de escalado. Estos primeros pasos dan como resultado una oblea transparente, porosa y conductora, esencial para maximizar el contacto con las moléculas de agua en el aire y dejar pasar los fotones. Luego, la oblea se recubre nuevamente, esta vez con una película delgada de materiales semiconductores que absorben la luz solar. Esta segunda capa todavía deja pasar la luz, aunque parece opaca debido a la gran superficie del sustrato poroso. Tal como está, esta oblea recubierta ya puede producir combustible de hidrógeno una vez expuesta a la luz solar.
Los científicos procedieron a construir una pequeña cámara que contenía la oblea recubierta, así como una membrana para separar el gas de hidrógeno producido para su medición. Cuando su cámara se expone a la luz solar en condiciones húmedas, se produce hidrógeno gaseoso, logrando lo que los científicos se propusieron hacer, demostrando que se puede lograr el concepto de un electrodo de difusión de gas transparente para la producción de gas hidrógeno con energía solar.
Si bien los científicos no estudiaron formalmente la eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno en su demostración, reconocen que es modesta para este prototipo y actualmente menos de lo que se puede lograr en las células PEC de base líquida. Según los materiales utilizados, la máxima eficiencia teórica de conversión solar en hidrógeno de la oblea recubierta es del 12 %, mientras que las células líquidas han demostrado una eficiencia de hasta el 19 %.
