Investigadores de Singapur desarrollan una tecnología capaz de aprovechar agua de mar contaminada y reducir la hidrazina hasta niveles casi indetectables, sin electricidad externa.
- 🍃 Inspirada en las hojas: capta directamente la luz y la transforma en la energía necesaria para impulsar las reacciones electroquímicas.
- ☀️ Sin electricidad externa: el dispositivo funciona de manera autónoma bajo iluminación.
- 💧 Trabaja con agua de mar: fue probado tanto con agua de mar simulada como con muestras reales.
- ⚡ 25 mA/cm²: alcanzó una elevada densidad de fotocorriente para este tipo de fotocátodos de perovskita.
- 🧪 Elimina un contaminante tóxico: redujo la hidrazina desde aproximadamente un 1,6 % en peso hasta solo 0,5 partes por mil millones.
- ⏱️ Más de 72 horas: mantuvo un funcionamiento estable bajo una iluminación equivalente aproximadamente a la radiación solar de un día despejado.
Producir hidrógeno directamente a partir de agua de mar plantea un doble desafío: requiere energía y la elevada concentración de cloruros puede provocar reacciones indeseadas, corrosión y la formación de compuestos de cloro. Un equipo de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU), en Singapur, ha desarrollado una «hoja artificial» que aborda el problema de una forma diferente: utiliza directamente la luz solar para producir hidrógeno mientras degrada hidrazina, un contaminante industrial altamente tóxico.
El prototipo no necesita estar conectado a una fuente externa de electricidad y, durante los experimentos, mantuvo un funcionamiento estable durante más de 72 horas. Además, consiguió reducir la concentración de hidrazina hasta niveles extremadamente bajos.
Producir hidrógeno del mar sigue siendo complicado
El hidrógeno puede obtenerse mediante electrólisis, haciendo circular corriente eléctrica entre dos electrodos para provocar una serie de reacciones químicas. En los sistemas convencionales, en el cátodo se genera hidrógeno y en el ánodo normalmente se produce oxígeno.
Utilizar directamente agua de mar permitiría evitar el consumo de agua dulce y determinados procesos previos de desalación. Sin embargo, introduce otro problema importante: los iones cloruro interfieren en las reacciones electroquímicas.
Además de reducir la eficiencia, pueden favorecer la aparición de compuestos de cloro corrosivos y tóxicos capaces de deteriorar los electrodos.
La solución desarrollada por el equipo dirigido por la profesora Lydia H. Wong cambia precisamente lo que ocurre en uno de los electrodos.
El contaminante ayuda a reducir la energía necesaria
En lugar de dedicar energía a la reacción convencional de producción de oxígeno, el ánodo incorpora un catalizador basado en hierro, cobalto y cromo que favorece la oxidación de la hidrazina.
La hidrazina es una sustancia tóxica presente en determinados efluentes industriales. Su oxidación requiere menos energía que la reacción de evolución de oxígeno utilizada habitualmente durante la electrólisis.
De esta manera, el sistema obtiene una doble ventaja: reduce las necesidades energéticas para generar hidrógeno y, al mismo tiempo, destruye un contaminante peligroso.
La reacción también ayuda a evitar la producción de compuestos de cloro no deseados. Según los investigadores, el catalizador empleado presenta además una buena resistencia frente a la corrosión.
Una perovskita convierte la luz en electricidad
La otra pieza fundamental se encuentra en el fotocátodo. Los científicos utilizaron una perovskita de haluro de plomo, un material semiconductor con una elevada capacidad para absorber luz y convertirla en electricidad.
Trabajar con perovskitas en contacto con agua es especialmente complicado por sus problemas de estabilidad. Para proteger el material, los investigadores incorporaron diferentes capas, entre ellas una resina epoxi conductora con partículas de plata y cobre y una lámina de titanio.
Al iluminar el dispositivo, el fotocátodo genera la corriente necesaria para mantener el proceso electroquímico sin recurrir a una alimentación eléctrica exterior.
Durante los ensayos con agua de mar real y simulada, el sistema alcanzó una densidad de fotocorriente de 25 mA/cm², una de las cifras más elevadas comunicadas para fotocátodos de perovskita basados en plomo de este tipo.
Produce hidrógeno durante más de tres días
La estabilidad es uno de los parámetros especialmente importantes en los sistemas fotoelectroquímicos.
El dispositivo desarrollado en Singapur mantuvo un rendimiento estable durante más de 72 horas bajo una iluminación equivalente aproximadamente a la intensidad de la luz solar que llega a la superficie terrestre durante un día despejado.
Durante las pruebas alcanzó una producción de hidrógeno de 466 μmol/cm² por hora, un rendimiento comparable al de otros dispositivos experimentales alimentados mediante energía solar.
Pero el resultado más llamativo aparece cuando se observa simultáneamente lo que sucede con el contaminante.
De un 1,6 % de hidrazina a solo 0,5 partes por mil millones
En uno de los experimentos, el agua contenía inicialmente una concentración de hidrazina de 0,5 M, equivalente aproximadamente a un 1,6 % en peso.
El sistema consiguió degradarla en unas 30 horas, reduciendo su concentración final hasta aproximadamente 0,5 partes por mil millones (ppb).
El resultado muestra que la tecnología no se limita a utilizar la reacción química para facilitar la producción de hidrógeno: simultáneamente puede realizar una función de tratamiento del agua.
Este planteamiento resulta especialmente interesante para determinados procesos industriales porque permitiría obtener valor energético mientras se elimina un compuesto que, de otra manera, tendría que tratarse como contaminante.
No es todavía una máquina capaz de producir hidrógeno de cualquier agua de mar
El resultado tiene una limitación importante. La hidrazina no es simplemente un contaminante que casualmente desaparece durante el proceso, sino una parte fundamental de la reacción que permite al dispositivo funcionar con un menor requerimiento energético.
Por tanto, no debe interpretarse el prototipo como una tecnología capaz de introducirse en cualquier océano y comenzar a fabricar hidrógeno únicamente con agua, Sol y sal.
Se trata de un sistema experimental especialmente interesante para escenarios en los que existe una corriente de agua contaminada con compuestos susceptibles de ser oxidados mientras se produce hidrógeno.
También quedan pendientes obstáculos importantes antes de plantear aplicaciones industriales. Las pruebas de estabilidad se han prolongado durante días, mientras que una instalación comercial necesitaría operar durante periodos muchísimo mayores. Además, será necesario aumentar considerablemente el tamaño del dispositivo, mejorar la recogida del hidrógeno y comprobar su comportamiento frente a la compleja y variable composición de aguas residuales y aguas marinas reales.
Convertir el tratamiento de residuos en una fuente de valor
La investigación apunta hacia una tendencia especialmente interesante dentro de la producción sostenible de hidrógeno: sustituir una de las reacciones energéticamente costosas de la electrólisis por otra capaz de eliminar simultáneamente un residuo problemático.
En lugar de utilizar electricidad para generar únicamente hidrógeno y oxígeno, estos sistemas multifuncionales podrían producir combustible mientras realizan otra tarea ambientalmente útil.
El equipo de NTU ya trabaja en nuevos catalizadores que permitan ampliar el concepto más allá de la hidrazina. El objetivo es tratar otros contaminantes e incluso aprovechar determinados residuos para transformarlos en combustibles o productos químicos de interés industrial.
La «hoja artificial» todavía es un prototipo de laboratorio, pero demuestra una posibilidad atractiva: que una futura instalación solar no solo produzca combustible limpio, sino que pueda utilizar simultáneamente una corriente residual como materia prima y contribuir a descontaminarla.
Vía NTU Singapore
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