Para lograr la descarbonización, debemos desarrollar fuentes de energía limpias y fiables a gran escala. Una de las claves de esta transición desde los combustibles fósiles será el hidrógeno, que puede almacenarse durante largos periodos y utilizarse después como sustituto del gas natural para alimentar turbinas o en pilas de combustible de combustión limpia. La Agencia Internacional de la Energía (AIE) señala que, para alcanzar las cero emisiones netas en 2050, el mundo necesita que el hidrógeno satisfaga al menos el 10% del consumo energético total.
Actualmente ya se produce hidrógeno, pero el 95% de la producción estadounidense se obtiene mediante la quema de combustibles fósiles para aislarlo, un proceso intensivo en emisiones que no contribuye a la descarbonización. Por eso es importante la producción de hidrógeno limpio mediante la división de moléculas de agua con fuentes de energía renovables. El uso de energía solar para dividir el agua en sus componentes de hidrógeno y oxígeno ha sido calificado incluso como uno de los «santos griales» de la química.
Sin embargo, lograr esta reacción a una escala lo suficientemente grande para su comercialización sigue siendo un reto. Requiere que los materiales involucrados posean propiedades muy específicas, y los científicos llevan décadas trabajando para encontrar candidatos adecuados. Mis colegas y yo en CAS exploramos recientemente el estado de la investigación sobre fotocatálisis, y nuestros hallazgos en la CAS Content CollectionTM demuestran que la comunidad científica está dando pasos importantes hacia la viabilidad comercial.
Queda mucho trabajo importante por hacer, pero es un momento apasionante para participar en esta investigación.
¿Qué es la fotocatálisis?
La fotocatálisis es una reacción química que se produce al irradiar materiales semiconductores, generalmente dispersos en un medio acuoso, formando pares de electrones y huecos. Demostrada por primera vez en 1972 por Kenichi Honda y Akira Fujishima, esta reacción se produjo cuando la luz incidió sobre un electrodo de dióxido de titanio sumergido en agua. Los huecos creados por la reacción pueden atraer más electrones de las moléculas de agua circundantes, dividiendo así el agua en oxígeno e hidrógeno.
Este proceso da lugar a una producción de hidrógeno sin emisiones, que puede almacenarse para su uso como combustible de combustión limpia y sustituto de los combustibles fósiles. La fotocatálisis también es prometedora para otros tipos de remediación medioambiental, especialmente la purificación del agua y la destrucción de contaminantes en aguas residuales. Ha degradado con éxito microorganismos y sustancias no orgánicas como tintes y productos químicos en el agua. Este proceso podría ser viable para la remediación de pesticidas en el suelo —un avance clave en la tecnología más allá de las reacciones que tienen lugar en agua o en solución.
Producir hidrógeno limpio sin infraestructuras complejas es, posiblemente, la aplicación más urgente de este proceso. La fotocatálisis puede realizarse con un polvo añadido al agua, lo cual es mucho más sencillo que la otra forma de producir hidrógeno sin emisiones mediante electrolizadores alimentados por energía solar. Como resultado, los investigadores han acelerado sus esfuerzos para encontrar los fotocatalizadores adecuados y hacer que este proceso sea comercialmente viable.
Las últimas investigaciones sobre fotocatálisis
Al analizar la CAS Content CollectionTM, descubrimos que los conceptos más citados en la literatura de revistas y patentes abordaban las reacciones fotocatalíticas y las propiedades materiales de los propios fotocatalizadores. Esto tiene sentido, ya que los fotocatalizadores deben utilizar luz visible para ser económicamente competitivos frente a los combustibles fósiles. La mayor parte de la luz solar se encuentra en el rango visible, por lo que debemos utilizarla como una forma asequible de impulsar reacciones a gran escala. Concretamente, la eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno (STH) debe ser al menos del 6-10% o superior.
¿Qué propiedades necesitan los fotocatalizadores para lograr esto? En primer lugar, sus bandas de conducción y valencia deben estar en determinadas posiciones (Fig. 2). La colocación de estas bandas permite el movimiento de los electrones, una propiedad de los semiconductores y una parte necesaria de la reacción fotocatalítica. La banda de conducción debe ser negativa a cero voltios, y la banda de valencia debe ser positiva a 1,23 voltios o más. Si las bandas de un fotocatalizador no están en estas posiciones, no habrá suficiente energía para la reacción.
En segundo lugar, la banda prohibida, es decir, el espacio entre las bandas de conducción y valencia, debe ser capaz de absorber luz visible. Para cumplir este criterio, la banda prohibida debe situarse entre 1,23 y 3,1 voltios. El dióxido de titanio es un material estable con bandas en posiciones adecuadas, pero no puede absorber luz visible, por lo que no resulta económico para la fotocatálisis a gran escala. En los últimos 10 años, los investigadores han recurrido a otros fotocatalizadores.
Como puede observarse en la Figura 3, los fotocatalizadores más estudiados, además del dióxido de titanio, incluyen el óxido de zinc, el nitruro de carbono, las estructuras metal-orgánicas (MOF) y otros:
La propiedad común entre estos fotocatalizadores es su banda prohibida, que es inferior a 3,0 voltios y, por tanto, capaz de absorber luz visible (Fig. 4). Sin embargo, a pesar de poseer estas propiedades, los fotocatalizadores analizados siguen presentando deficiencias. Como resultado, los científicos están explorando más opciones para mejorar la eficiencia de la reacción.
Desafíos futuros
Como muestra nuestro análisis, a excepción del uso de luz solar concentrada, los fotocatalizadores considerados no han alcanzado el umbral de STH del 6% (Fig. 4).
Los investigadores están tratando de combinar catalizadores para obtener las propiedades adecuadas de posición de banda y banda prohibida. La técnica más prometedora que se está considerando es la heterounión de esquema escalonado (esquema S) o la combinación de dos fotocatalizadores con una estructura de banda escalonada. La posición de estas bandas al trabajar conjuntamente puede impulsar a los electrones a llevar a cabo la reacción fotocatalítica de forma robusta y eficiente, un paso importante hacia la expansión del uso de esta tecnología.i
Sin embargo, nunca es tan sencillo como combinar dos catalizadores. Una vez que se combinan los materiales, pueden surgir otros resultados inesperados. Por ejemplo, los electrones y los huecos pueden recombinarse antes de realizar la reacción deseada. Los investigadores están explorando cocatalizadores para controlar este proceso de recombinación. Los cocatalizadores pueden depositarse en la superficie de los fotocatalizadores, lo que acelera la utilización de los portadores de carga generados. Se están investigando varios materiales cocatalizadores, lo que demuestra que el futuro de la fotocatálisis es prometedor, aunque aún queda trabajo por hacer.
Hacer realidad un futuro impulsado por hidrógeno
Dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno sin producir emisiones no es una tarea sencilla; los científicos llevan décadas trabajando en ello. Aún queda un progreso considerable por realizar antes de que este proceso sea lo suficientemente rentable como para sustituir los combustibles fósiles por hidrógeno limpio.
Aunque los desafíos son formidables, no hay razón para creer que sean insuperables. Un análisis reciente de la CAS Content CollectionTM demuestra que la investigación innovadora sobre fotocatalizadores está creciendo. A medida que aumenten técnicas como la configuración de esquema S y el uso de cocatalizadores, también lo harán los avances en la eficiencia STH y la capacidad de comercializar esta tecnología.
Con la experimentación continua y las mejoras en la ciencia de materiales, el mundo puede alcanzar la promesa de la producción de hidrógeno a gran escala y convertir un futuro descarbonizado en realidad.
