Un grupo de científicos universitarios desarrolla un método propio para obtener hidrógeno a partir de agua, el cual podría ser útil en el futuro para generar un combustible renovable y no contaminante, toda vez que su único residuo es vapor de agua.

Para separar el hidrógeno del vital líquido y luego capturarlo, los expertos recurren a la fotocatálisis, una reacción fotoquímica que convierte la energía solar en energía química en la superficie de un catalizador, que es un material sólido semiconductor que acelera la velocidad de reacción.

“Estamos utilizando un proceso fotocatalítico que además de usar un material catalítico sólido nanoestructurado utiliza luz que proviene de una lámpara en el caso del laboratorio, pero que podría aprovechar la luz del Sol”, explicó Rodolfo Zanella Specia, director del Instituto de Ciencias Aplicadas y Tecnología (ICAT) y titular de la investigación.

El estudio se realiza desde hace ocho años en el Grupo de Catálisis y Procesos de Superficie, perteneciente al Departamento de Micro y Nanotecnología del ICAT, y sus contribuciones han merecido la publicación de varios artículos científicos.

“Tenemos un semiconductor, básicamente un sólido como óxido de titanio, óxido de tungsteno, óxido de bismuto u óxido de zinc (o combinaciones de los mismos) y lo irradiamos con luz, lo que ocasiona que se separen las cargas, es decir, un electrón se mueve de la posición en la que se encuentra inicialmente (llamada carga de valencia) a otra posición (llamada de conducción), y tenemos dos cargas disponibles: una negativa, un electrón, y una carga positiva a la que se le llama hueco, las cuales pueden llevar a cabo reacciones de oxidación y de reducción. Nos interesa utilizar el electrón para poder separar el agua que está constituida de hidrógeno y oxígeno”, pormenorizó.

En el proceso, el agua se irradia con luz, el catalizador promueve una reacción y se obtiene el hidrógeno. “Con ese producto se puede alimentar una celda de combustible que luego produce electricidad, pero eso es otra línea de investigación y no la desarrollamos en este laboratorio”, precisó Zanella Specia.

En el estudio han utilizado el óxido de titanio, el cual combinan con otros óxidos (que pueden ser de zinc, de tungsteno o de bismuto) para formar un óxido mixto al que, ya en forma nanométrica, se le agregan en la superficie minúsculas partículas de otros óxidos y nanopartículas metálicas (de oro, plata, cobre, rodio, paladio, platino, níquel o cobalto).

Al haber cargas positivas y negativas en el sólido, es fácil que se recombinen, pues se atraen y se generan partículas neutras, con lo que se pierde la oportunidad de ejecutar los procesos fotocatalíticos.

“Lo que hacemos para volver más eficiente al catalizador es modificarlo superficialmente con nanopartículas de metales (conductores con altas afinidades electrónicas y funciones de trabajo) para usarlas como trampas o bombas de electrones, las que atraen el electrón hacia sí y evitan que se recombinen con la carga positiva (hueco), y permiten que le dé tiempo a ese electrón de llegar a la superficie del fotocatalizador, reaccionar y llevar a cabo el proceso fotocalítico.”

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Apuntes sobre el proyecto

Rodolfo Zanella

El suministro de energía en el mundo está basado predominantemente en el uso de fuentes de energía no renovables, como el petróleo, el carbón y el gas natural. Estos recursos geológicos se han acumulado a lo largo de millones de años a través de la actividad fotosintética y, por lo tanto, se trata de energía solar almacenada. Sin embargo, el rápido consumo de los combustibles fósiles ha causado problemas ambientales, como el calentamiento global, que puede acarrear consecuencias desastrosas para el planeta y para la humanidad. Por este motivo, desarrollar fuentes de energía sostenibles y limpias se ha convertido en un objetivo para resolver el problema energético y medioambiental.

Debido a lo anterior, uno de los retos en la actualidad es la descarbonización de la economía. Una opción para lograr este objetivo es el uso del “hidrógeno verde”; es decir, el hidrógeno producido a través del agua y energía renovable como la luz del sol.

Se piensa que en el futuro el hidrógeno pudiera proveer una parte importante de la energía que consumen los vehículos y la industria, por lo que se habla de la “economía del hidrógeno”, que es un modelo económico y energético que consiste en producir hidrógeno a precios competitivos para utilizarlo como energía con bajo o nulo contenido de carbono, lo que podría lograr la sustitución gradual de los combustibles fósiles como fuente de energía.

Desde hace años, varias de las más prestigiosas universidades e instituciones de investigación del mundo, como la Universidad de Stanford (https://www.nationalgeographic.com.es/ciencia/obtienen-hidrogeno-combustible-apartir-agua-mar_14046), realizan trabajos que, a partir del agua, buscan convertir el hidrógeno en un combustible no contaminante. Con el proyecto sobre el tema en el ICAT, la UNAM está a la vanguardia. Rodolfo Zanella, director del Instituto y titular de la investigación, comparte a Gaceta UNAM estos apuntes

Algunos datos interesantes

El hidrógeno tiene una alta densidad de energía por unidad de peso. De hecho, la densidad energética del hidrógeno es cerca de 3 veces mayor que la de la gasolina (por unidad de masa).

El hidrógeno es muy abundante en el planeta, sin embargo, casi no se encuentra en forma libre, casi siempre se encuentra formando compuestos como agua, hidrocarburos y otros compuestos (principalmente orgánicos).

BloombergNEF ha proyectado que en las próximas décadas el uso del hidrógeno limpio logrará reducir alrededor de 34 % las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero procedentes de combustibles fósiles y de la industria.

Varias compañías automotrices están desarrollando proyectos relacionados con vehículos de hidrógeno, de hecho, ya existen algunos modelos comerciales en Japón y en Estados Unidos. Algunos de los principales retos de la economía del hidrógeno siguen siendo los costos (todavía son superiores a los de los combustibles fósiles), así como el desarrollo de redes de distribución y suministro.

Sobre el trabajo del Grupo de Catálisis y Procesos de Superficie del ICAT

La fotocatálisis es un proceso que puede convertir la energía de la luz en energía química. Para ello se deben iluminar nanopartículas en suspensión en una mezcla de agua y un compuesto orgánico (puede ser un alcohol o un compuesto orgánico de desecho). Las nanopartículas (llamadas fotocatalizadores) deben capturar la luz, lo que ocasiona que un electrón pase de un nivel energético (la banda de valencia) a otro (banda de conducción), esto genera dos especies reactivas: un electrón (e-) y un hueco(h+), las que pueden llevar a cabo reacciones de reducción y oxidación. Los huecos oxidan la molécula de agua a protones y O₂, y los electrones reducen los protones liberados a hidrógeno.

Uno de los fotocatalizadores más comunes es el óxido de titanio (TiO₂), sin embargo su eficiencia es baja, debido principalmente a la rápida recombinación de los pares electrón-hueco. En el grupo de catálisis y procesos de superficie se estudian diferentes alternativas para retardar esta recombinación y generar una mayor eficiencia en el proceso de producción de hidrógeno, entre ellas se encuentran:

• El uso de agentes de sacrificio, que son compuestos orgánicos como alcoholes, compuestos de desecho, o incluso contaminantes del agua. Normalmente usamos un alcohol para llevar a cabo este efecto, sin embargo, con las formulaciones de catalizadores que hemos desarrollado también hemos logrado producir hidrógeno a partir de agua residual industrial.
• El depósito de nanopartículas metálicas o de óxidos en la superficie del óxido de titanio, lo que funciona como una “trampa” de electrones (e-), evitando que se recombinen con el hueco (h+) y dando tiempo para que la reacción de ruptura de la molécula de agua se realice.
• La formación de heterouniones, que son combinación de dos óxidos (por ejemplo óxido de titanio con óxido de tungsteno, óxido de titanio con óxido de zinc, óxido de titanio con óxido de bismuto) con niveles energéticos adecuados para crear esas “trampas” o sumideros de electrones (e-).

El trabajo del grupo se ha publicado en revistas como International Journal of Hydrogen Energy, Applied Catalysis B, Chemosphere, Catalysis Today, Journal of Materials Science y Journal of Hazardous Materials, entre otras. Además, ha sido presentado en forma de pláticas invitadas en varios congresos nacionales e internacionales.