La producción comercial de hidrógeno gracias a la fotosíntesis artificial

Dibujo20140605 Amorphous TiO2 coatings stabilize photoanodes for efficient water oxidation - science mag

En los últimos 40 años se han realizado muchos esfuerzos para lograr la fotosíntesis artificial mediante «hojas artificiales» de silicio, níquel y otros elementos químicos. El objetivo es producir hidrógeno, un vector energético con un futuro muy prometedor en el siglo XXI, y otros biocombustibles. Por supuesto aún queda un largo camino por recorrer para que esta tecnología vea la luz en la industria. Sin embargo, los avances recientes han sido apoyados por un fuerte aumento en la financiación, tanto pública como privada.

Muchos expertos aseguran que en diez años habrá sistemas que podrían ser competitivos con otras tecnologías (sobre todo en la producción de hidrógeno). Quizás son muy optimistas, pero así nos lo cuenta Jessica Marshall, «Solar energy: Springtime for the artificial leaf Researchers make headway in turning photons into fuel,» Nature 510: 22–24, 05 Jun 2014, que se hace eco del artículo técnico de Shu Hu et al., «Amorphous TiO2 coatings stabilize Si, GaAs, and GaP photoanodes for efficient water oxidation,» Science 344: 1005-1009, 30 May 2014.

Dibujo20140605 artificial photosynthesis for splitting water into oxygen and hydrogen - nature

La idea de la fotosíntesis artificial nació en 1912, pero no fue factible hasta 1972, cuando investigadores japoneses propusieron usar la luz del Sol para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno. El progreso ha sido muy lento. En 1998, se logró un avance importante, un sistema que almacena el 12% de la energía solar en forma de combustible (la energía almacenada por las hojas de las plantas en forma de biomasa es del orden del 1% de la energía solar incidente). Sin embargo, no era un sistema competitivo pues su rendimiento se degradaba mucho tras unas 20 horas de irradiación.

La clave es encontrar los materiales adecuados. El silicio es un buen fotocátodo (el electrodo que produce hidrógeno), pero es estable sólo cuando se encuentra en una solución ácida; por desgracia, la situación se invierte en los fotoánodos (los que producen oxígeno), que son estables en una solución básica.  Además, el mejor catalizador para la producción de oxígeno en el fotoánodo es el iridio, un elemento raro y caro, que impide su uso a escala comercial.

Se ha tenido que automatizar la búsqueda de nuevos materiales. Para ello se usan impresoras de inyección de tinta modificadas para producir puntos de diferentes aleaciones en placas de cristal. En estos puntos se realizan pruebas masivas de catalizadores y materiales fotosensibles. Las mejoras impresoras de puntos son capaces de producir hasta un millón de puntos con una composición diferente al día. La mejor combinación para el fotoánodo encontrada hasta ahora se basa en una combinación concreta de níquel, hierro, cobalto y óxidos de cerio. Su estabilidad es buena y es transparente, pero no es el catalizador más eficaz conocido.

La opción más reciente es proteger los fotoánodos más eficientes, pero también más inestables, con un recubrimiento de dióxido de titanio. Así se gana en estabilidad sin degradar mucho sus propiedades. El umbral de viabilidad comercial ronda el 20% de eficiencia. Un sistema bueno, bonito y barato todavía está lejos. Pero como se está avanzando a pasos agigantados, quizás se pueda obtener en una década. Máxime cuando la inversión en la fotosíntesis artificial es grande, pues se espera que la recuperación de dicha inversión será enorme.

Dibujo20140605 hydrogen productino - hypersolar

La empresa start-tup llamada HyperSolar está probando un sistema de producción de hidrógeno mediante fotosíntesis artificial en la costa de Santa Barbara, California. Su objetivo sería desplegar estas unidades en regiones muy soleadas, como los desiertos. Un problema importante, aún no resuelto, es el riesgo de explosión en un sistema que produce oxígeno e hidrógeno. Una tormenta con fuerte aparato eléctrico podría ser muy peligrosa. Por ello se está trabajando en nuevos enfoques que minimicen este riesgo.

Las plantas de hidrógeno de producción industrial estarán formadas por matrices de células de producción de hidrógeno distribuidas en regiones de muchos kilómetros cuadrados, con una torre de suministro de agua y tuberías de distribución de hidrógeno hacia tanques de almacenamiento. Quizás parezcan una imagen de futuro, pero el camino hacia la fotosíntesis artificial parece inexorable. El Sol es la mayor fuente de energía que tenemos disponible y debemos concentrar nuestros esfuerzos en aprovecharla de la forma más eficaz posible.



2 Comentarios

  1. Hola, ¿sabes si hay alguna investigación actual de fotosíntesis artificial para la producción de hidrógeno que involucre nanotubos de carbono? Había leído también que el grafeno se podría utilizar también para almacenar el hidrógeno.

  2. Muy interesante, ¿se podría concebir una fotosíntesis artificial para moléculas más complejas, como amoníaco o metano?
    Personalmente me parece que no tiene ningún futuro para la producción de hidrógeno comercial, ya que los retos tecnológicos en mi humilde opinión son enormes comparados con desarrollar un proceso S+I (http://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur%E2%80%93iodine_cycle), que operado con un pequeño reactor nuclear produciría el hidrógeno más barato concebible constantemente, sin depender de fuentes solares (noches, nubes, tormentas, problemas a ciertas latitudes, etc…)

Deja un comentario

Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 6 junio, 2014
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science
Etiqueta(s): ,