Hojas artificiales producirán un combustible limpio, gracias a una película protectora

Durante millones de años, las plantas han usado la fotosíntesis para captar energía del sol y convertirla en energía. De un tiempo a esta parte, ingenieros y científicos están intentando desarrollar una versión artificial de este proceso.

En este terreno, han conseguido ya desde crear nanocristales de óxido de cobalto capaces de llevar a cabo una de las fases más importantes de la fotosíntesis (la división de las moléculas de agua) hasta diseñar una 'hoja artificial' que transforma la energía solar en un combustible líquido.

Ahora, se ha dado un nuevo paso adelante. Científicos del Caltech (el Instituto de Tecnología de California, en EEUU) han logrado desarrollar una película conductora de la electricidad que, según ellos, permitirá aprovechar la luz solar para dividir la molécula de agua (que tiene dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno) y así extraer de ella de manera segura un combustible, el hidrógeno, con prometedoras características: es renovable, abundante, y no contamina, pues el producto de su combustión es solo vapor de agua.

Una capa de seguridad

Se sabe que, para producir hidrógeno sin contaminar (su producción actualmente se hace con gas natural) las celdas solares pueden ser una buena alternativa. El proceso sería el siguiente: cuando una corriente eléctrica (generada cuando la luz solar incide sobre las celdas) pase por el agua que la celda contiene, en un electrodo de esta se producirán burbujas de hidrógeno; y en otro, de oxígeno.  

Sin embargo, existe un problema: si ese hidrógeno y ese oxígeno separados se reúnen de nuevo, puede producirse una explosión (cuando se hace reaccionar hidrógeno molecular con oxígeno molecular, se produce una oxidación que libera gran cantidad de energía). Por eso, es necesario asegurar que ambos elementos permanezcan aislados.

Y aquí es donde entra en acción la película conductora de electricidad de los investigadores del Caltech. Esta, según se explica en un comunicado de dicho centro, es una auténtica “capa protectora”. Por eso resultará un proceso clave en la generación de un combustible como el hidrógeno (también se habla de que ayudaría a producir metano) que, a su vez, impulsaría el funcionamiento de las celdas solares.  

El sistema podría asimismo ayudar al desarrollo de ‘hojas artificiales’ altamente eficientes, capaces de replicar el sofisticado proceso de la fotosíntesis con el que las plantas convierten la luz del sol, el agua y el dióxido de carbono en oxígeno y combustible (en este caso, en forma de hidratos de carbono o de azúcares).

Hojas artificiales con tres componentes

Estas hojas artificiales constarían de tres componentes principales: dos electrodos (un fotoánodo y un fotocátodo) y una membrana con la nueva película, que es de óxido de níquel.

El fotoánodo utilizaría la luz solar para oxidar las moléculas de agua y así generar oxígeno, protones, y electrones. El fotocátodo, por su parte, recombinaría los protones y los electrones para formar gas hidrógeno.

La película creada –que, con la membrana, recubriría ambos electrodos- mantendría a estos dos gases separados con el fin de evitar una explosión; y permitiría que el hidrógeno fuera recolectado bajo presión para dirigirlo de forma segura por una tubería.

Previamente, se había intentado recubrir estos electrodos con semiconductores comunes, como el silicio o arseniuro de galio, que absorben la luz y también se utilizan en paneles solares, pero un problema importante de estos materiales es que desarrollan una capa de óxido cuando son expuestos al agua.

La nueva película evita este problema, porque es impermeable al agua, pero, además, tiene otras ventajas: es conductora de la electricidad, tiene gran transparencia a la luz entrante, y funciona como un buen catalítico, propiciando  la reacción para la producción del oxígeno y el combustible (hidrógeno).

Además, los científicos han constatado que es compatible con muchos tipos diferentes de materiales semiconductores, como el silicio, el fosfuro de indio o el teluro de cadmio. Cuando fue aplicada a los fotoánodos, superó asimismo el desempeño de otras películas, alcanzando un rendimiento récord, aseguran.

Paso a paso

El equipo del Caltech ha desarrollado una técnica especial para la fabricación de su película de óxido de níquel, consistente en la rotura de átomos de argón en una esfera de átomos de níquel, a altas velocidades, y en un entorno rico en oxígeno.

Esta combinación ‘acelerada’ da lugar a una forma oxidada del níquel que se deposita sobre el semiconductor de la membrana que separa a los electrodos. Así, señalan los científicos, “se puede construir un dispositivo seguro pero duro y eficiente".

A pesar del avance, los investigadores advierten de que el desarrollo de un producto comercial capaz de convertir la luz solar en combustible aún está lejos. Otros componentes del sistema, como el fotocátodo, también deben ser perfeccionados todavía. Sin embargo, concluyen: “ahora ya tenemos una de las piezas clave que faltaba”. 

Una vez que dicho producto comercial sea una realidad, habrá que afrontar otro desafío: el suministro del hidrógeno a gran escala. Para ello, las gasolineras deberán ser transformadas en 'hidrogeneras', lo que tendría un altísimo coste económico.