Un cristal convierte agua en hidrógeno usando luz solar

Un nuevo tipo de cristal capaz de generar hidrógeno a partir de agua mediante la acción de la luz podría abrir una vía hacia combustibles más limpios y económicos. Aunque el hidrógeno impulsa vehículos con pilas de combustible, su producción tradicional desde gas natural libera dióxido de carbono antes de llegar al depósito. El agua representa otra fuente, pero separar sus átomos de hidrógeno del oxígeno requiere energía; suministrar esa energía de forma limpia eleva considerablemente el coste del combustible.

El alto precio del hidrógeno verde

Kyriakos Stylianou, químico de la Universidad Estatal de Oregón (OSU), junto a colaboradores, ha creado una familia de materiales que transforman rápidamente y con eficiencia el agua en hidrógeno utilizando luz. Su investigación, publicada en el Journal of the American Chemical Society, se centra en BVR-19, un material cristalino poroso cuya respuesta a la luz ofrece pistas para diseñar sistemas mejores que conviertan la luz solar en combustible.

La extracción de hidrógeno del agua ya es posible mediante electrólisis catalítica, donde un acelerador químico facilita la reacción sin cambiar permanentemente. Sin embargo, la sostenibilidad de este método depende de electricidad renovable barata para competir con el hidrógeno derivado del gas natural. Stylianou señaló una brecha de precios sustancial: unos 1,50 dólares por kilogramo para el producido mediante reformado de metano con vapor, frente a aproximadamente 5 dólares por kilogramo para el hidrógeno verde. Reducir esta diferencia impactaría más allá de las estaciones de servicio, afectando también a la producción de amoníaco, refinado de metales y fabricación de plásticos.

Estructura porosa y selección de metales

Dentro de BVR-19, moléculas orgánicas conectan iones metálicos cargados positivamente formando una estructura con poros nanométricos. Estas redes metal-orgánicas (MOF) permiten a los químicos ajustar propiedades seleccionando distintos metales y bloques de construcción orgánicos. Casi 100.000 MOFs han sido sintetizados y se han predicho las propiedades de otros medio millón dentro de millones de diseños posibles.

"Al cambiar el metal manteniendo el resto del material esencialmente igual, descubrimos por qué algunas versiones del MOF funcionan mucho mejor que otras", explicó Stylianou. "Estos hallazgos proporcionan nuevas reglas de diseño para crear materiales más efectivos para la producción de combustible solar".

El azufre como motor fotocatalítico

Cuando la luz incide sobre BVR-19, rompe temporalmente un enlace entre dos átomos de azufre, generando especies reactivas. Esta respuesta define al material como fotocatalizador: absorbe luz, alcanza un estado energético superior y usa esa energía para impulsar la reacción química.

"El componente orgánico realiza el trabajo importante", detalló Stylianou. "En lugar de depender principalmente de los átomos de metal, nuestro material utiliza sus bloques de construcción orgánicos que contienen azufre para capturar la energía luminosa y mover electrones donde se necesitan para producir hidrógeno. Esto representa una forma diferente de pensar cómo deben diseñarse estos materiales".

BVR-19 ejecuta este proceso sin requerir un catalizador metálico adicional costoso, lo cual simplificaría futuros sistemas de producción de hidrógeno con luz. Además, el material se forma espontáneamente en solución acuosa a temperatura ambiente, otorgándole una ventaja energética significativa durante su síntesis.

Llenar el depósito de un vehículo con hidrógeno producido así dependerá de convertir estas ventajas materiales en un sistema de producción asequible. Stylianou, director del Laboratorio de Descubrimiento de Materiales de OSU (MaD Lab), ve los resultados como una guía hacia ese objetivo. "Nuestro trabajo proporciona un plano para diseñar mejores materiales que puedan reducir el coste del hidrógeno verde", concluyó.

El estudio fue apoyado por Murdock Charitable Trust, National Science Foundation y la Facultad de Ciencias de OSU.