Un nuevo material podría facilitar la producción de hidrógeno a partir de agua y luz solar

Investigadores de la Universidad Estatal de Oregón desarrollan un fotocatalizador basado en estructuras metal-orgánicas que genera hidrógeno mediante luz y agua sin recurrir a un catalizador metálico adicional.

Un equipo de investigadores de la Oregon State University, en EE.UU., ha desarrollado una nueva clase de materiales capaces de utilizar la luz para producir hidrógeno a partir de agua. El avance se basa en un fotocatalizador que, según sus desarrolladores, permite acelerar la reacción de separación del agua y podría contribuir al desarrollo de sistemas de producción de hidrógeno con un menor impacto ambiental.

El trabajo, dirigido por Kyriakos Stylianou, del College of Science de la universidad estadounidense, se centra en las denominadas estructuras metal-orgánicas (MOF, por sus siglas en inglés), materiales cristalinos y porosos cuya estructura puede modificarse para obtener diferentes propiedades. Los resultados se han publicado en el Journal of the American Chemical Society.

Los investigadores trabajaron con un MOF denominado BVR-19, que incorpora un enlace poco habitual entre átomos de azufre. Cuando el material recibe luz, este enlace puede romperse temporalmente y generar especies de azufre altamente reactivas que participan en la reacción de producción de hidrógeno.

A diferencia de un catalizador convencional, que acelera una reacción química sin consumirse, un fotocatalizador utiliza la energía de la luz para activar y acelerar el proceso. En este caso, el material absorbe la luz y emplea esa energía para favorecer el movimiento de electrones necesario para producir hidrógeno.

Una de las particularidades del BVR-19 es que la reacción no depende principalmente de los átomos metálicos de la estructura. El papel central lo desempeñan los componentes orgánicos que contienen azufre.

“El componente orgánico realiza el trabajo importante. En lugar de depender principalmente de los átomos metálicos, nuestro material utiliza sus componentes orgánicos que contienen azufre para captar la energía de la luz y desplazar los electrones hacia donde se necesitan para producir hidrógeno”, explica Stylianou.

Según el investigador, este planteamiento abre una vía diferente para diseñar materiales destinados a la producción de combustibles solares y evita la necesidad de incorporar un catalizador metálico adicional y potencialmente costoso.

El material presenta además otra característica relevante para su posible desarrollo: se forma espontáneamente en soluciones acuosas a temperatura ambiente, lo que puede reducir la energía necesaria para su fabricación.

El reto del coste del hidrógeno verde

La producción de hidrógeno mediante la separación del agua puede presentar ventajas ambientales frente al método actualmente dominante a escala industrial, el reformado con vapor de metano, que utiliza gas natural y genera dióxido de carbono durante el proceso.

Otra vía para obtener hidrógeno a partir de agua es la electrólisis, que emplea electricidad para impulsar la reacción. En este caso, el impacto ambiental depende en gran medida del origen de esa electricidad: cuanto mayor sea la utilización de fuentes renovables, menor será la huella asociada a la producción.

El coste sigue siendo uno de los principales obstáculos para la expansión del denominado hidrógeno verde. Según los datos citados por los investigadores, el hidrógeno producido mediante reformado con vapor de metano tiene actualmente un coste aproximado de 1,50 dólares por kilogramo, frente a unos 5 dólares por kilogramo en el caso del hidrógeno verde.

Nuevas pautas para diseñar materiales

El equipo de Oregon State University considera que el estudio puede aportar criterios para desarrollar nuevos materiales fotocatalíticos más eficientes. Los investigadores compararon diferentes configuraciones del MOF modificando el metal de la estructura y manteniendo en gran medida el resto del material, lo que les permitió identificar diferencias en su comportamiento.

“Nuestro trabajo proporciona un modelo para diseñar mejores materiales que permitan reducir el coste del hidrógeno verde”, señala Stylianou. “Estos resultados ofrecen nuevas reglas de diseño para crear materiales más eficaces destinados a la producción de combustibles solares”.

El desarrollo se encuentra todavía en el ámbito de la investigación de materiales. Su posible contribución a una producción de hidrógeno más competitiva dependerá de factores como la eficiencia del proceso, su escalabilidad y los costes asociados a la fabricación y utilización de estos materiales.