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Obtienen hidrógeno a partir de agua, luz solar y un material orgánico

Científicos de la Universidad Jaume I de Castellón han diseñado un sistema que, a partir de un material orgánico que actúa como catalizador, obtiene hidrógeno del agua, mediante la luz solar. Por primera vez, han conseguido que un dispositivo orgánico de este tipo sea estable en contacto con el medio acuoso.

Obtienen hidrógeno a partir de agua, luz solar y un material orgánico

El hidrógeno presenta un gran potencial como combustible, por lo que los avances en su obtención son claves en el campo de las energías alternativas.

Investigadores del Grupo de Dispositivos Fotovoltaicos y Optoelectrónicos de la Universitat Jaume I -de Castellón- han desarrollado un dispositivo orgánico que permite reducir el agua a hidrógeno a partir únicamente de luz solar.

Los materiales orgánicos ofrecen mayor eficiencia y versatilidad a un menor coste que los inorgánicos utilizados hasta la fecha en este tipo de dispositivos, pero presentan problemas de estabilidad en contacto con un medio acuoso. El trabajo, publicado en The Journal of Physical Chemistry, logra una estabilidad excepcional en este tipo de dispositivos y supone un importante avance en la obtención de combustibles solares a partir de materiales orgánicos.

Sixto Giménez, coordinador de la investigación, destaca en la nota de prensa de la UJI que a través del dispositivo desarrollado “se ha conseguido la producción de hidrógeno durante tres horas, lo que demuestra una estabilidad de los materiales orgánicos que no se había alcanzado hasta ahora”.

Los dispositivos fotovoltaicos orgánicos se corroen en agua y se estropean con mucha facilidad. “Nuestra estrategia ha sido poner una barrera física entre la parte fotovoltaica y el catalizador que realiza la reacción de generación de hidrógeno. Para ello hemos depositado capas compactas con material de óxido de titanio nanométrico que no solamente actúa de barrera entre el agua y la parte fotovoltaica, sino que además comunica eléctricamente la parte fotovoltaica y el catalizador de platino. Utilizando esa estrategia conseguimos aumentar enormemente la estabilidad manteniendo las prestaciones de este tipo de dispositivos”, explica el investigador Antonio Guerrero.

La obtención de combustibles solares como el hidrógeno a partir de agua y luz solar es una estrategia dirigida a solucionar el problema energético a nivel global. “Podemos disponer de unos recursos totalmente renovables, como la luz del sol y el agua, para obtener un vehículo energético como el hidrógeno. Además, el hidrógeno es un compuesto químico con un sinfín de aplicaciones en el ámbito industrial como la generación de fertilizantes, la síntesis de compuestos hidrogenados, etc.”, resalta Giménez.

Proyecto

La investigación se ha desarrollado en el marco del proyecto PHOCS (Photogenerated Hydrogen by Organic Catalytic Systems), financiado a través del VII Programa Marco de la Unión Europea, que tiene como objetivo el desarrollo de nuevos dispositivos basados en materiales orgánicos semiconductores para llevar a cabo la foto-descomposición del agua conduciendo a la generación de hidrógeno de forma eficiente. Se busca así optimizar el uso de materiales más baratos y sostenibles para la obtención de hidrógeno.

Uno de los principales retos del proyecto que finalizará el próximo mes de noviembre, tras tres años de trabajo, es demostrar que los materiales orgánicos (plásticos), pueden emplearse para la generación fotoelectroquímica de hidrógeno, objetivo que ya ha sido alcanzado.

Giménez explica que “el hidrógeno se puede utilizar igual que la gasolina debido a su gran potencial energético, energía que se puede transformar en electricidad, en energía mecánica, etc.”. El uso de estos combustibles solares “permitirá que en un futuro cercano vayas a una estación de servicio y en vez de repostar con gasolina, un derivado del petróleo, puedas repostar hidrógeno para transformarlo en electricidad mediante una célula de combustible y de ahí en energía mecánica, siendo el agua el único producto de desecho”, explica el investigador.

Economía del hidrógeno

De esta manera, la investigación en la que participa la UJI contribuye a la transición del modelo energético actual, basado en combustibles fósiles, a un modelo sostenible y respetuoso con el medio ambiente centrado en el aprovechamiento de la energía solar.

Los modelos energéticos basados en el hidrógeno (economía del hidrógeno) constituyen una prioridad en los programas de desarrollo tecnológico de las primeras economías mundiales como EEUU, la Unión Europea y Japón. El proyecto PHOCS está coordinado por la doctora Maria Rosa Antognazza, investigadora del Center for Nano Science and Technology Milano (Italia), y cuenta con la participación de siete socios de cinco países, entre los que se encuentran centros de investigación y Universidades públicas como la Jaume I, además de la compañía petrolífera italiana ENI.

Otra de las aportaciones al proyecto PHOCS del equipo dirigido por Sixto Giménez ha sido la de tratar de comprender cuáles son los mecanismos fisicoquímicos responsables del funcionamiento de este tipo de dispositivos, para lo que se han utilizado diferentes técnicas desarrolladas en los laboratorios del grupo de Dispositivos Fotovoltaicos y Optoelectrónicos.

“Ahora el siguiente paso será continuar trabajando en mejorar la eficiencia de este dispositivo, especialmente por lo que respecta a los rendimientos de conversión energética”, explica Giménez.

Otros procedimientos

Iniciativas similares para producir hidrógeno son, por ejemplo, un proyecto de Caltech (el Instituto de Tecnología de California, en EEUU), que ha logrado desarrollar una película conductora de la electricidad que permitirá aprovechar la luz solar para dividir la molécula de agua y extraer de ella de manera segura hidrógeno.

O el de científicos de Harvard (EE.UU.), que han imitado la fotosíntesis de las plantas diseñando una hoja artificial que transforma con energía solar el agua en oxígeno e hidrógeno, y luego el hidrógeno+dióxido de carbono en el combustible líquido isopropanol, gracias a una bacteria rediseñada metabólicamente. Ya han conseguido una eficiencia del 1%, similar a la de las plantas, y su objetivo es llegar al 5%.

Referencias bibliográficas:

M. Haro, C. Solis, G. Molina, L. Otero, J. Bisquert, S. Gimenez y A. Guerrero: Toward Stable Solar Hydrogen Generation Using Organic Photoelectrochemical Cells. The Journal of Physical Chemistry (2015). DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b01420

A. Guerrero, M. Haro, S. Bellani, M. Antognazza, L. Meda , S. Gimenez y J. Bisquert: Organic photoelectrochemical cells with quantitative photocarrier conversión. Energy Environ. Sci. (2014). DOI: 10.1039/C4EE01775G

RedacciónT21

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