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Para lograr la descarbonización, debemos desarrollar fuentes de energía fiables y limpias a escala masiva. Una de las claves de esta transición hacia el abandono de los combustibles fósiles será el hidrógeno, que se puede almacenar durante periodos largos y se puede usar como sustituto del gas natural para alimentar turbinas o en celdas 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 cubra al menos el 10 % del consumo energético total.
Actualmente se genera hidrógeno, pero el 95 % de la producción de hidrógeno de EE. UU. requiere la combustión de combustibles fósiles para aislarlo, un proceso que genera una gran cantidad de emisiones y que no contribuye a la descarbonización. Por eso es importante producir hidrógeno limpio mediante la descomposición de moléculas de agua con fuentes de energía renovables. Usar energía solar para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno se ha descrito, incluso, como uno de los “santos griales” de la química.
Sin embargo, producir esta reacción a una escala suficientemente grande para hacer viable la comercialización sigue planteando problemas. Para conseguirlo, los materiales implicados deben tener unas propiedades muy concretas y los científicos trabajan desde hace décadas para encontrar candidatos adecuados. Mis colegas de CAS y yo hemos explorado recientemente el estado de la investigación sobre la fotocatálisis y los resultados obtenidos en CAS Content CollectionTM muestran que la comunidad científica está dando pasos de gigante hacia la viabilidad comercial.
Aún queda mucho trabajo importante por hacer, pero es apasionante participar en esta investigación.
¿Qué es la fotocatálisis?
La fotocatálisis es una reacción química que se produce mediante la irradiación de materiales semiconductores normalmente dispersos en un medio acuoso para formar pares electrón-hueco. Esta reacción, que documentaron por primera vez en 1972 Kenichi Honda y Akira Fujishima, se dio cuando la luz incidió en 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, con lo que se logra descomponer el agua en oxígeno e hidrógeno.
Este proceso sin emisiones permite producir hidrógeno que se puede almacenar posteriormente para usarlo como combustible de combustión limpia y sustituto de los combustibles fósiles. La fotocatálisis también es prometedora para otros tipos de medidas de recuperación medioambiental, en especial la purificación del agua y la destrucción de los contaminantes de las aguas residuales. Este proceso ha logrado degradar microorganismos y sustancias no orgánicas, como tintes y sustancias químicas presentes en el agua. Puede ser viable para eliminar los pesticidas del suelo, un avance esencial en la tecnología que va más allá de las reacciones que se dan en agua o en una solución.
Producir hidrógeno limpio sin una infraestructura compleja es, probablemente, la aplicación más urgente de este proceso. La fotocatálisis se puede realizar mediante la adición de un polvo al agua, un proceso mucho más sencillo que la otra forma de producir hidrógeno sin emisiones, que utiliza electrolizadores alimentados con energía solar. Como resultado, los investigadores han acelerado sus esfuerzos para encontrar los fotocatalizadores adecuados y lograr que el proceso sea comercialmente viable.
La investigación más reciente sobre la fotocatálisis
Al analizar CAS Content CollectionTM, descubrimos que los conceptos que se citan con más frecuencia en la literatura de revistas y patentes tienen relación con las reacciones fotocatalíticas y con las propiedades físicas de los propios fotocatalizadores. Esto es lógico, ya que los fotocatalizadores deben usar luz visible para competir con los combustibles fósiles desde el punto de vista económico. La mayor parte de la luz solar se encuentra en el rango visible, de manera que es necesario usarla como medio asequible para generar reacciones a gran escala. En concreto, la eficiencia de conversión de energía solar en hidrógeno (STH) debe ser de al menos el 6-10 % o superior.
¿Qué propiedades deben tener los fotocatalizadores para alcanzar esta eficiencia? En primer lugar, sus bandas de conducción y de valencia deben estar en posiciones concretas (fig. 2). La posición de estas bandas permite el movimiento de 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 —el espacio que separa las bandas de conducción y de valencia— debe poder absorber la luz visible. Para cumplir este criterio, la banda prohibida debe estar entre 1,23 y 3,1 voltios. El dióxido de titanio es un material estable con las bandas en las posiciones adecuadas, pero no puede absorber la luz visible, por lo que no resulta económico para la fotocatálisis a gran escala. En los diez últimos años, los investigadores han recurrido a otros fotocatalizadores.
Como se puede ver en la figura 3, los fotocatalizadores más estudiados aparte del dióxido de titanio son, entre otros, el óxido de zinc, el nitruro de carbono y las estructuras metalorgánicas (MOF):
La propiedad que comparten estos fotocatalizadores es su banda prohibida, que está por debajo de 3,0 voltios y por tanto es capaz de absorber la luz visible (fig. 4). No obstante, a pesar de tener estas propiedades, los fotocatalizadores estudiados siguen presentando problemas. Como resultado, los científicos están explorando más opciones para mejorar la eficiencia de la reacción.
Desafíos futuros
Según nuestro análisis, con la excepción del uso de luz solar concentrada, los fotocatalizadores analizados no han alcanzado el umbral de eficiencia STH del 6 % (fig. 4).
Los investigadores están intentando combinar catalizadores para obtener las propiedades de banda prohibida adecuadas. Entre las técnicas analizadas, la más prometedora se conoce como heterounión con esquema S o combinación de dos fotocatalizadores con una estructura de bandas escalonada. La posición de estas bandas cuando funcionan juntas puede impulsar a los electrones a producir la reacción fotocatalítica de una forma estable y eficiente, un paso importante para generalizar el uso de esta tecnologíai.
Pero no es tan sencillo como combinar dos catalizadores. Cuando se combinan materiales, puede haber otros resultados inesperados. Por ejemplo, los electrones y los huecos se pueden recombinar antes de producir la reacción deseada. Los investigadores están explorando cocatalizadores para controlar este proceso de recombinación. Los cocatalizadores se pueden depositar en la superficie de los fotocatalizadores, lo que acelera el uso de los portadores de carga generados. Se están investigando varios materiales cocatalizadores, lo que demuestra que el futuro de la fotocatálisis es brillante aunque aún quede trabajo por hacer.
Un futuro impulsado por combustibles a base de hidrógeno
Descomponer moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno sin emisiones no es una tarea sencilla y los científicos llevan décadas trabajando para conseguirlo. Aún queda mucho trabajo por hacer para que este proceso sea lo suficientemente económico y eficiente para reemplazar los combustibles fósiles con hidrógeno limpio.
Aunque los desafíos son enormes, no hay ninguna razón para pensar que no puedan superarse. Un análisis reciente de CAS Content CollectionTM demuestra que la investigación innovadora sobre los catalizadores va en aumento. A medida que algunas técnicas como la heterounión con esquema S y los cocatalizadores se generalicen, se disparará la eficiencia STH y aumentará la capacidad de comercializar esta tecnología.
Con los avances experimentales constantes y las mejoras en el campo de la ciencia de los materiales, el mundo puede lograr la producción de hidrógeno a gran escala y hacer realidad la descarbonización en el futuro.
