Es innegable que la producción de hidrógeno ha de evolucionar, haciéndose más respetuoso con el medio ambiente. Para ello, evidentemente, nada mejor que las energías renovables, como la solar.

Pero aún mejor sería poder utilizar la energía solar directamente para dividir el agua, separando moléculas de oxígeno e iones de hidrógeno. Eso es lo que ha conseguido el equipo de científicos de Tu Wien (Universidad Técnica de Viena).

El proceso se conoce como “división fotocatalítica del agua”. Los científicos han avanzado en el proceso: a escala atómica, una combinación de catalizadores moleculares y de estado sólido pueden hacer el trabajo, y con materiales relativamente económicos. Según Alexey Cherevan, del Instituto de Química de Materiales de TU Wien: “En realidad, para poder dividir el agua con la luz, debes resolver dos tareas al mismo tiempo. Tenemos que pensar en el oxígeno y en el hidrógeno. Los átomode de oxígeno del agua deben transformarse en moléculas de O2; y los iones de hidrógeno restantes, que son solo protones, deben convertirse en moléculas de H2”.

Soluciones de los científicos para mejorar la producción de hidrógeno

Los científicos han conseguido soluciones para ambas tareas: pequeños grupos inorgánicos que consisten en solo una pequeña cantidad de átomos están anclados en una superficie de estructuras de soporte que absorben la luz, como el óxido de titanio. La combinación de clústeres -conjunto de átomos- y soportes de semiconductores cuidadosamente elegidos conduce al comportamiento deseado.

Los conjuntos de átomos responsables de oxidar el oxígeno están formados por cobalto, tungsteno y oxígeno. Mientras, los clústeres de azufre y molibdeno son adecuados para crear moléculas de hidrógeno. Los científicos de TU Wien fueron los primeros en depositar estos grupos en una superficie hecha de óxido de titanio. Es ahí donde pueden actuar y efectuar la “división fotocatalítica del agua”.

Añade Alexey Cherevan: “El óxido de titanio es sensible a la luz, eso ya se sabía. La energía de la luz absorbida conduce a la creación de electrones de libre movimiento y cargas positivas de libre movimiento en el óxido de titanio. Estas cargas permiten que los grupos de átomos que se encuentran en esta superficie faciliten la división en oxígeno e hidrógeno”.

Además: “Otros grupos de investigación trabajan en la división del agua con luz. Se basan en nanopartículas que pueden adoptar formas y propiedades superficiales muy diferentes. Los tamaños son difíciles de controlar, los átomos no están dispuestos de la misma manera. Por lo tanto, en este caso, no es posible explicar exactamente cómo se lleva a cabo el proceso de catálisis en detalle”.

TU Wien y el proceso

Por otro lado, en TU Wien, la estructura exacta de los cúmulos se determina con precisión atómica. Eso permite obtener una comprensión completa del ciclo catalítico. Al respecto, indica Cherevan: “No queremos simplemente confiar en un enfoque de prueba y error y probar diferentes nanopartículas hasta que encontremos la mejor. Queremos descubrir a nivel atómico cuál es realmente el catalizador óptimo”.

Puesto que los materiales seleccionados son los idóneos para dividir el agua, el siguiente paso será ajustar la estructura exacta para conseguir mayor eficiencia. Explica el investigador: “La ventaja decisiva de nuestro método sobre la división del agua por electrólisis es su simplicidad”.

La producción de hidrógeno eléctrico primero necesita una fuente de energía sostenible, como células fotovoltaicas; posiblemente un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica; y una célula de electrólisis. El resultado es un sistema relativamente complejo, con múltiples materias primas.

Por otro lado, la división fotocatalítica del agua sólo necesita una superficie, adecuadamente recubierta, que esté cubierta por agua e irradiada por el sol. Al largo plazo, el proceso podría usarse también para producir moléculas utilizando el concepto de fotosíntesis artificial. Incluso, podría llegar a utilizarse la energía de la radiación solar para producir hidrocarburos con el dióxido de carbono de la atmósfera y el agua. Después se podrían emplear en otras aplicaciones.