Los científicos han encontrado una nueva forma de producir hidrógeno a partir del agua. El descubrimiento proviene de la Universidad Estatal de Oregón, donde investigadores desarrollaron un material activado por la luz que divide el agua en hidrógeno sin necesidad de un costoso catalizador metálico. El material, llamado BVR-19, utiliza un enlace de azufre inusual que se rompe al ser golpeado por la luz.
El trabajo fue liderado por Kyriakos Stylianou de la Facultad de Ciencias de la OSU. Su equipo publicó los hallazgos en el Journal of the American Chemical Society. Dicen que este enfoque podría ofrecer un camino más barato y más práctico para convertir la luz solar en combustible limpio.
Cómo funciona el material
Un catalizador acelera una reacción química sin cambiar a sí mismo. Un fotocatalizador funciona de la misma manera, pero necesita luz para comenzar. Cuando el material absorbe luz, entra en un estado de energía más alto. Esa energía luego impulsa la reacción química más rápido.
La investigación de Stylianou se centra en marcos organometálicos, o MOF. Estos son materiales cristalinos y porosos cuyas estructuras se pueden ajustar con precisión. Los MOF están hechos de iones metálicos cargados positivamente rodeados por moléculas «enlazadoras» orgánicas. Sus poros diminutos y formas ajustables permiten a los científicos adaptar sus propiedades para diferentes usos.
Son teóricamente posibles millones de estructuras de MOF, dijo Stylianou. Los investigadores en química ya han fabricado casi 100.000 de ellos, mientras que las características de aproximadamente medio millón más han sido predichas.
El enlace de azufre que hace el trabajo
Para este estudio, el equipo examinó un MOF llamado BVR-19. Contiene un enlace inusual entre dos átomos de azufre. Ese enlace se rompe temporalmente cuando se expone a la luz, creando especies de azufre altamente reactivas.
«El componente orgánico hace el trabajo importante», dijo Stylianou. «En lugar de depender principalmente de los átomos metálicos, nuestro material utiliza sus bloques de construcción orgánicos que contienen azufre para capturar la energía de la luz y mover electrones donde se necesitan para producir hidrógeno. Esto representa una forma diferente de pensar sobre cómo deben diseñarse estos materiales.»
Debido a ese diseño, el BVR-19 no necesita un catalizador metálico adicional. Eso podría simplificar futuros sistemas de hidrógeno impulsados por luz. El material también se forma por sí solo en agua a temperatura ambiente, reduciendo la energía necesaria para producirlo.
Por qué el Hidrógeno es Importante
El hidrógeno se utiliza ampliamente en pilas de combustible para vehículos. También se utiliza en la producción de amoníaco, refinación de metales y fabricación de plásticos. Producirlo a partir de agua con un catalizador puede ser más limpio que el método industrial estándar, que depende del gas natural.
Ese proceso convencional, conocido como reformado con vapor de metano, libera dióxido de carbono mientras produce hidrógeno. Los métodos de división de agua existentes a menudo utilizan electrocatálisis, lo que requiere electricidad. El beneficio ambiental depende en gran medida de dónde proviene esa energía. Para que el proceso siga siendo sostenible y económicamente competitivo, la electricidad debe provenir de fuentes renovables de bajo costo.
En la actualidad, el hidrógeno producido a través del reformado con vapor de metano cuesta alrededor de $1.50 por kilogramo. El hidrógeno verde cuesta aproximadamente $5 por kilogramo.
Un Plan para un Hidrógeno Verde Más Barato
«Nuestro trabajo proporciona un plan para diseñar mejores materiales que pueden reducir el costo del hidrógeno verde», dijo Stylianou. Dirige el Laboratorio de Descubrimiento de Materiales de OSU, conocido como el MaD Lab. Al cambiar el metal manteniendo el resto del material igual, el equipo descubrió por qué algunas versiones del MOF funcionan mucho mejor que otras.
Estos hallazgos proporcionan nuevas reglas de diseño para crear materiales más efectivos para la producción de combustibles solares, dijo.
Quién Hizo Esto Posible
Los miembros del MaD Lab, Emmanuel Musa, Dylan Pyle, Jacob Lessard, Andrzej Gladysiak, Ankit Yadav, Silas Blessed y Prayash Mohanty participaron en la investigación. Se unieron a ellos Logan Lancaster, Taylor Krueger, Min Soo Jung, Galen Fritz, Jacob Hirschi, Hongliang Huang, William Stickle, Xiulei «David» Ji, Chong Fang y Tim Zuehlsdorff de Oregon State.
El Murdock Charitable Trust, la Fundación Nacional de Ciencias y la Facultad de Ciencias de OSU apoyaron el estudio.
Comparando las Dos Maneras de Producir Hidrógeno
| Método) | Costo por Kilogramo) | Principal Inconveniente) |
|---|---|---|
| Reformado metano-vapor) | $1.50 | Libera dióxido de carbono) |
| Electrólisis del agua (hidrógeno verde)) | $5 | Depende de dónde proviene la electricidad) |
El Camino por Delante)
El equipo de Stylianou ha demostrado que los MOF pueden ser ajustados para captar luz e impulsar reacciones químicas. Al enfocarse en las moléculas de enlace orgánico en lugar de los átomos de metal, el equipo abrió una nueva vía para la producción de combustibles solares.
La investigación también apunta a una forma más práctica de fabricar MOF. Debido a que BVR-19 se forma espontáneamente en agua a temperatura ambiente, el costo de energía de la fabricación disminuye. Eso podría facilitar la ampliación de la tecnología.
El precio de $5 por kilogramo para el hidrógeno verde es significativo. Un sistema basado en MOF que iguale ese costo al tiempo que evita la huella de carbono del reformado metano-vapor evitaría esa huella.
Los hallazgos brindan a los investigadores un nuevo conjunto de reglas de diseño. Cambiar el metal manteniendo el resto del material igual demostró por qué algunas versiones funcionaron mucho mejor que otras.
El trabajo del equipo es un recordatorio de que la ciencia fundamental puede conducir directamente a aplicaciones prácticas. Un material que divide el agua con luz no es solo una curiosidad de laboratorio. Es un candidato para una forma más limpia y económica de producir hidrógeno.
Si se convertirá en una realidad comercial depende de pruebas e ingeniería adicionales. El enfoque básico ha sido demostrado. Luz, agua y una molécula inteligentemente diseñada ahora pueden producir hidrógeno.
Fuente: “Científicos hallaron una nueva forma de producir hidrógeno a partir de agua”, ScienceDaily.
Recibe El Cuaderno.
Las mejores historias del día y cada veredicto nuevo, en español claro, en tu correo a las siete. Un correo al día, nada más.