Inventan un dispositivo que produce combustible limpio a partir del aire

La energía solar es renovable y sostenible y hay muchos motivos por los que podría convertirse en una aliada clave frente a la crisis climática. Sin embargo, cuando no brilla el sol o si la energía se requiere a grandes distancias de donde se ubican los paneles solares, esta fuente de energía claramente presenta inconvenientes. Por eso, utilizar la energía solar para fabricar un combustible sostenible es el sueño de gran parte de la comunidad científica desde hace décadas.

En concreto, el objetivo es construir un dispositivo que separe el agua en sus componentes, hidrógeno y oxígeno, utilizando solo la energía del sol. Después, el hidrógeno se puede transportar para emplearlo como combustible. El hidrógeno es neutro en carbono, ya que su combustión solo emite vapor de agua.

Transparentes y porosos

Un nuevo estudio propone una manera de, en un futuro, hacer realidad este objetivo. El equipo ha construido un dispositivo que cuenta con electrodos transparentes y porosos que, combinados con una tecnología basada en semiconductores, logra obtener hidrógeno a partir de vapor de agua que contiene aire. Puesto que los electrodos son transparentes, maximizan la cantidad de luz que llega a los semiconductores. Además, al ser porosos, maximizan el contacto con la humedad del aire.

Hasta ahora, para lograr obtener hidrógeno se empleaban las llamadas células fotoelectroquímicas, o células PEC por sus siglas en inglés. En estas células, la luz del sol estimula un material fotosensible, como un semiconductor, que está sumergido en un líquido para causar una reacción química. Pero el líquido acaba afectando negativamente al semiconductor, con lo que se vuelve complicado fabricar células PEC grandes y duraderas de esta manera.

Por eso, el objetivo del nuevo trabajo era conseguir hidrógeno simplemente a partir de la humedad del aire, evitando el contacto tan directo del semiconductor con un líquido. Aunque ya existían algunas células electroquímicas que funcionaban con gases en lugar de líquidos, los electrodos eran opacos y, por tanto, incapaces de aprovechar la energía solar para funcionar.

Inspiración en las plantas

El equipo se inspiró en el funcionamiento de las plantas, que transforman la energía del sol en energía química utilizando el dióxido de carbono y el agua que absorben del entorno. Estas sustancias se convierten en hidratos de carbono, que almacenan la energía del sol en sus enlaces químicos. A su vez, la planta utiliza los hidratos de carbono para conseguir energía cuando la necesite mediante la respiración.

De la misma forma, los nuevos electrodos se recubren de un material semiconductor y se comportan como una hoja artificial, que absorbe el vapor de agua del entorno y emplea la luz del sol para producir hidrógeno. Al igual que en las plantas, la energía solar se almacena en los enlaces químicos de las moléculas de hidrógeno.

Según el equipo investigador, esta es la primera vez que se consigue fabricar un electrodo de difusión de gas transparente, por lo que tuvieron que inventarlo componente a componente. Los electrodos tradicionales contienen capas que son opacas a la luz del sol, pero los nuevos están fabricados a partir de fieltro de fibra de vidrio formando un tejido tridimensional.

Por capas

Lo lograron sometiendo un tipo de fibra de vidrio a altas temperaturas para convertirla en una lámina fina. Después, la lámina se recubrió con un material transparente y de alta conductividad, que además es robusto. Se obtuvo así una lámina transparente, porosa y conductora, es decir, con todas las propiedades clave para maximizar el contacto con el vapor de agua y dejar pasar los fotones.

Faltaba solo incluir un mecanismo que permitiera aprovechar la energía solar incidente, y esto se consiguió gracias a otro recubrimiento, esta vez de materiales semiconductores. Con esta lámina ya era posible obtener hidrógeno al exponerla a la luz solar. Para completar el experimento, bastó introducir la lámina en un compartimento pequeño junto con una membrana que separara el hidrógeno de manera que se pudiera medir el volumen.

El equipo considera que cada uno de los pasos a seguir es relativamente sencillo y, sobre todo, fácil de realizar en cantidades mayores. Por eso consideran que su estudio será verdaderamente útil de cara a obtener hidrógeno como combustible y utilizarlo para producir energía allá donde se necesite.

Pero, para lograrlo, falta incrementar la eficiencia de estas células. El equipo calcula que, como máximo, pueden obtener un 12 % de eficiencia, mientras que ya hay células que se sumergen en líquido con un 19 % de eficiencia. Pero es posible que, modificando los detalles del diseño, se pueda incrementar la eficiencia de las nuevas células.

Los avances tecnológicos, por sí solos, no van a resolver la crisis climática, y es urgente adoptar medidas individuales y colectivas para atajar las emisiones de gases invernadero. Pero los estudios como este desde luego aumentan el abanico de posibilidades para frenar el calentamiento global.

QUE NO TE LA CUELEN:

• El hidrógeno combustible, al igual que la gasolina, es muy inflamable y puede causar fuegos y explosiones si no se maneja correctamente. Además, puesto que es inodoro e incoloro, es difícil saber si existe un escape de hidrógeno antes de que sea demasiado tarde. El gas natural y el propano también son inodoros, pero se les añade una sustancia dotada de olor precisamente para detectar cualquier escape. Sin embargo, no existe ninguna sustancia similar que se le pueda añadir al hidrógeno y que se difunda tan rápidamente como este gas, es decir, que sea eficaz para detectar escapes. Pero, con otras medidas de seguridad, el hidrógeno combustible ya se utiliza en ciertos vehículos industriales e incluso en autobuses y trenes.

REFERENCIAS (MLA):

• Caretti, Marina et al., “Transparent Porous Conductive Substrates for Gas-Phase Photoelectrochemical Hydrogen Production”. Advanced Materials, 2023. Wiley Online Library, https://doi.org/10.1002/adma.202208740.