Un equipo de científicos japoneses de la Universidad de
Ciencias de Tokio, dirigido por el profesor Ken-ichi Katsumata, ha identificado
una técnica novedosa de uso de óxido y luz para acelerar la producción de
hidrógeno a partir de soluciones de desechos orgánicos, un hallazgo que puede
revolucionar la industria de la energía limpia.
En el discurso actual sobre el cambio climático, la
contaminación y la disminución de los recursos, un combustible podría cambiar
las reglas del juego dentro de la industria energética: el hidrógeno. Cuando se
quema en un motor de combustión o en una central eléctrica, el combustible de
hidrógeno produce solo agua, por lo que es mucho más limpio que nuestros
combustibles fósiles actuales. Sin producción de gases tóxicos, sin
contribución al cambio climático y sin smog, el hidrógeno puede ser la
respuesta a un futuro de energía más limpia, entonces, ¿por qué no se usa más
ampliamente?
Hay dos razones. La primera es que el hidrógeno es altamente
inflamable y se escapa con mucha facilidad de los tanques de almacenamiento, lo
que causa riesgos potenciales de explosión durante el almacenamiento y
transporte. En segundo lugar, aunque el hidrógeno puro se produce naturalmente
en la Tierra, no se encuentra en cantidades suficientes para una utilización
rentable.
Los átomos de hidrógeno deben extraerse de moléculas como el
metano o el agua, lo que requiere una gran cantidad de energía. Aunque existen
varias técnicas para producir combustible de hidrógeno, los científicos aún
deben hacer que este proceso sea lo suficientemente «eficiente» como para que
el hidrógeno sea un combustible comercialmente competitivo en el mercado
energético. Hasta que esto se logre, los combustibles fósiles probablemente
continuarán dominando la industria.
Durante décadas, los científicos han estado trabajando hacia
una forma barata, eficiente y segura de producir combustible de hidrógeno. Uno
de los métodos más prometedores para lograr esto es a través de procesos
impulsados por la energía solar, utilizando la luz para acelerar (o
«catalizar») la reacción para dividir las moléculas de agua en oxígeno e
hidrógeno gaseoso.
En la década de 1970, dos científicos describieron el efecto
Honda-Fujishima, que utiliza dióxido de titanio como fotocatalizador en la producción
de hidrógeno. Sobre la base de esta investigación, un equipo de investigadores
japoneses dirigido por el profesor Ken-ichi Katsumata de la Universidad de
Ciencias de Tokio, buscó utilizar un catalizador de semiconductores más barato
y más fácilmente disponible para esta reacción, con la esperanza de aumentar
aún más su eficiencia, reduciendo los costos de producción y seguridad del
combustible de hidrógeno. Su estudio publicado en el diario digital Chemistry,
indica que, al usar una forma de óxido llamada α-FeOOH o goetita, la producción
de hidrógeno bajo la irradiación de la lámpara Hg-Xe puede ser 25 veces mayor
que el catalizador de dióxido de titanio bajo la misma luz.
El experimento realizado por el profesor Katsumata y sus
colegas tuvo como objetivo abordar los desafíos comunes que se encuentran al
usar catalizadores de semiconductores en la producción de hidrógeno impulsado
por energía solar. Hay tres obstáculos principales descritos por los autores.
El primero es la necesidad de que el material catalizador sea adecuado para el
uso de energía luminosa. El segundo es que la mayoría de los fotocatalizadores
utilizados actualmente requieren metales raros o «nobles» como cocatalizadores,
que son caros y difíciles de obtener. El último problema surge de la producción
real de gases de hidrógeno y oxígeno. Si no se separa de inmediato, la mezcla
de estos dos gases puede, en el mejor de los casos, reducir la producción de
combustible de hidrógeno y, en el peor de los casos, provocar una explosión. Por
lo tanto, tenían como objetivo encontrar una solución que no solo pueda
aumentar la eficiencia de la reacción,
El equipo identificó un catalizador candidato prometedor en
α-FeOOH (un óxido ferroso) y estableció un experimento para evaluar su
eficiencia para la producción de hidrógeno y las condiciones experimentales
óptimas para su activación. «Nos sorprendió mucho la generación de hidrógeno
usando este catalizador», afirma el profesor Katsumata, «porque no se sabe que
la mayoría de los óxidos de hierro se reducen a hidrógeno.
Posteriormente, el equipo de Katsumata buscó la condición
para activar α-FeOOH y encontró que el oxígeno fue un factor indispensable.
“Fue la segunda sorpresa porque muchos estudios mostraron que el oxígeno
suprime la producción de hidrógeno al capturar los electrones excitados».
El equipo confirmó el mecanismo de producción de hidrógeno a
partir de una solución de agua-metanol utilizando un método de ‘cromatografía
de gases-espectrometría de masas’, que muestra que α-FeOOH era 25 veces más
activo que el catalizador de dióxido de titanio utilizado en investigaciones
anteriores, lo que respalda la producción estable de hidrógeno durante más de
400 horas.
Se requerirá más investigación para optimizar este proceso.
El profesor Katsumata explica: «La función específica del oxígeno en la
activación de α-FeOOH inducida por la luz aún no se ha presentado. Por lo
tanto, explorar el mecanismo es el próximo desafío». Por ahora, estos hallazgos
de Katsumata y sus colegas representan nuevos avances en la producción de una
fuente de energía limpia y sin emisiones que será fundamental para las
sociedades sostenibles del futuro.
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