Dispositivo solar imita hojas para generar hidrógeno y limpiar agua

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang, en Singapur, han creado un dispositivo alimentado por energía solar capaz de extraer hidrógeno del agua de mar simultáneamente al descomponer la hidracina, un contaminante industrial altamente tóxico. El equipo describe esta innovación como una estrategia de doble propósito que integra la producción de combustible limpio con el tratamiento de aguas residuales, aprovechando la radiación solar para impulsar las reacciones químicas necesarias sin requerir una fuente de energía externa.

Inspiración biológica y funcionamiento

La arquitectura del sistema emula el mecanismo mediante el cual las hojas absorben la luz solar. Según información publicada por Interesting Engineering, el dispositivo utiliza la energía fotovoltaica para generar la electricidad que activa los procesos químicos, permitiendo así la obtención de hidrógeno y la eliminación de sustancias nocivas presentes en el agua de forma concurrente.

Nuevo catalizador frente a desafíos técnicos

Tradicionalmente, el hidrógeno verde se produce mediante electrólisis, donde la corriente eléctrica divide las moléculas de agua en sus componentes básicos. Aunque el uso de agua de mar podría mejorar la sostenibilidad al evitar el consumo de recursos hídricos dulces y los costos de desalinización, presenta obstáculos significativos. Los iones de cloruro interfieren con la electrólisis estándar y pueden generar compuestos de cloro corrosivos y tóxicos que dañan los electrodos.

Para superar estas limitaciones, un grupo liderado por la profesora Lydia Wong, de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales, modificó la reacción en el ánodo. Este electrodo positivo incorpora un catalizador compuesto por hierro, cobalto y cromo diseñado para descomponer la hidracina en hidrógeno y nitrógeno. Dado que este proceso demanda menos energía que la generación de oxígeno típica de la electrólisis convencional, el sistema logra producir hidrógeno con menor consumo eléctrico mientras purifica el agua.

Materiales avanzados y rendimiento

El cátodo fue fabricado utilizando perovskita basada en haluro de plomo, un material semiconductor que convierte la luz solar en electricidad. Para proteger esta estructura durante la operación, los científicos emplearon resina epoxi conductora con partículas de plata y cobre, además de láminas de titanio. Las pruebas realizadas tanto con agua de mar simulada como real demostraron que el dispositivo mantiene una corriente estable bajo iluminación, alcanzando una densidad de corriente fotoeléctrica de 25 mA/cm².

Durante más de 72 horas de exposición a una intensidad lumínica equivalente a la de un día soleado en la superficie terrestre, el sistema generó hidrógeno a una tasa de 466 µmol/cm²/hora. Los autores señalan que este nivel de productividad es comparable al de otros sistemas solares existentes.

Reducción drástica de contaminantes

La capacidad de tratamiento del dispositivo quedó evidenciada al analizar directamente la hidracina en el agua sin necesidad de separarla previamente. En un periodo de 30 horas, la concentración del contaminante descendió desde 0,5 molar (aproximadamente el 1,6% en peso) hasta niveles de 0,5 partes por billón. Esta cifra final supera ampliamente los estándares de seguridad, situándose más de 20 veces por debajo del límite de 10 partes por billón establecido por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos.

Lydia Wong calificó el avance como un salto cualitativo en tecnología ambiental, destacando cómo la eficiencia solar permite resolver simultáneamente problemas energéticos y de contaminación. Por su parte, James Durant, profesor de Fotoquímica y Energía Sostenible en la Universidad de Oxford, quien no participó en el estudio, valoró positivamente la demostración de una vía práctica hacia sistemas electroquímicos multifuncionales. Durant sugirió que estos enfoques de doble propósito serán cruciales para la futura implementación de tecnologías de combustibles solares, donde la viabilidad económica y el impacto ecológico deben alinearse.

Actualmente, el equipo trabaja en el desarrollo de nuevos catalizadores capaces de procesar otros tipos de contaminantes y transformar residuos en productos útiles, tales como combustibles adicionales y materiales químicos industriales.