Llámelo la más verde de las energías verdes. Durante mucho tiempo, los científicos han tratado de usar solo el sol y el agua para generar energía, un poco como lo hacen las plantas cuando hacen la fotosíntesis. Pero el proceso, que implica el uso de la luz solar para dividir las moléculas de agua, ha sido demasiado ineficiente para ser comercialmente viable. Un nuevo avance puede cambiar eso.
Los intentos anteriores de utilizar la energía del Sol para dividir las moléculas de agua se han enfrentado a múltiples problemas. El proceso requiere fotones energéticos para cortar los enlaces entre los átomos de hidrógeno y oxígeno del agua. Los fotones de onda más corta y, por lo tanto, más energéticos de la luz ultravioleta y visible pueden lograr la tarea. Pero los fotones infrarrojos del Sol, que comprenden aproximadamente el 50% de los que llegan a la Tierra, no son lo suficientemente energéticos.
Los divisores de agua solares intentan evitar esto con dos estrategias. El primero, y el más eficiente, involucra el uso de un dispositivo llamado celda fotoelectroquímica (PEC). Son un poco como baterías, con dos electrodos sumergidos en un electrolito líquido. Un electrodo actúa como una minicélula solar, absorbiendo la luz solar y utilizando la energía para generar cargas eléctricas. Esas cargas luego se alimentan a los catalizadores en los electrodos para dividir las moléculas de agua y generar gas hidrógeno en un electrodo y gas oxígeno en el otro.
Los mejores PEC pueden convertir casi una cuarta parte de la energía de la luz solar en combustible de hidrógeno. Pero requieren el uso de electrolitos corrosivos que desgarran rápidamente el semiconductor que absorbe la luz.
Una segunda estrategia, llamada celda fotocatalítica monolítica, elimina la configuración similar a una batería y simplemente sumerge un semiconductor que absorbe la luz en agua. El semiconductor absorbe la luz solar y genera cargas eléctricas que se alimentan a metales catalíticos en su superficie que luego dividen las moléculas de agua. Pero debido a que el hidrógeno y el oxígeno resultantes se generan uno al lado del otro, pueden reaccionar fácilmente entre sí, reformando el agua.
Eso ha limitado la eficiencia de estos divisores de agua fotocatalíticos para convertir solo alrededor del 3% de la energía entrante del Sol en combustible de hidrógeno utilizable. Una solución podría ser simplemente hacer que los semiconductores sean más grandes, como los paneles solares convencionales. Pero los semiconductores capaces de dividir el agua son mucho más caros que los paneles solares de silicio estándar, lo que hace que esa opción sea demasiado costosa.
Entonces, en el nuevo estudio, los investigadores dirigidos por Zetian Mi, químico de la Universidad de Michigan, Ann Arbor, ajustaron su equipo fotocatalítico. Encima de su configuración, colocaron una lente del tamaño de una ventana de casa típica. Esto enfocó la luz solar en un área 100 veces más pequeña, lo que les permitió reducir el tamaño y el costo de su semiconductor de división de agua. Luego, la intensa luz solar generó cargas eléctricas en el semiconductor que pasaron a catalizadores metálicos de tamaño nanométrico salpicados en la parte superior, que luego llevaron a cabo las reacciones de división del agua.
El equipo de Mi también elevó la temperatura del agua dividida a 70 °C, lo que evitó que la mayoría de los gases de hidrógeno y oxígeno reaccionaran entre sí para reformar el agua. La última iteración de su dispositivo utiliza no solo los fotones visibles y ultravioleta capaces de dividir el agua, sino también los fotones infrarrojos menos energéticos.
Los cambios combinados permitieron a los científicos convertir el 9,2% de la energía solar en combustible de hidrógeno, aproximadamente tres veces más que las configuraciones fotocatalíticas anterioresinforman hoy en Naturaleza.
«Este es un gran logro», agrega Peidong Yang, químico de la Universidad de California, Berkeley, cuyo equipo ayudó a ser pionero en la división fotocatalítica del agua hace 20 años, pero que no participó en el trabajo actual. Todd Deutsch, un experto en división de agua del Laboratorio Nacional de Energía Renovable, agrega que la eficiencia ahora está muy cerca del objetivo del 10% que probablemente se necesita para que estos dispositivos sean comercialmente viables.
Aún así, la nueva configuración enfrenta desafíos comerciales, dice Deutsch. Produce una mezcla potencialmente explosiva de gases de hidrógeno y oxígeno, por ejemplo. Una versión comercial tendría que separar esos gases, señala, lo que aumenta el costo.
Si tales dispositivos finalmente llegan al mercado, es probable que los ingenieros necesiten crear enormes granjas solares de división de agua para generar suficiente hidrógeno para alimentar flotas de vehículos, hornos industriales y celdas de combustible comerciales que podrían convertir el hidrógeno en electricidad para alimentar a la cuadrícula. Ese día sigue siendo lejano, señala Mi.
Aún así, dado que las células fotocatalíticas de división de agua son más simples de diseñar que las PEC, eso debería hacer que su producción en masa sea mucho más barata, dice Mi. Además, señala, la nueva configuración también funciona bien, aunque algo menos eficientemente, con agua de mar, un recurso barato e inagotable. Ser capaz de convertir el agua de mar de forma económica en combustible libre de carbono sería realmente lo último en energía verde.
