Investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang han construido una hoja artificial alimentada por energía solar que produce hidrógeno a partir de agua de mar al tiempo que descompone la hidracina, un contaminante tóxico presente en las aguas residuales industriales.
Un equipo de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU) en Singapur ha presentado una hoja artificial que produce hidrógeno a partir de agua de mar utilizando únicamente la luz solar. El dispositivo también destruye la hidracina, una sustancia química altamente tóxica presente en algunas aguas residuales industriales. De esta manera, logra simultáneamente la producción de combustible limpio y la descontaminación.
Los investigadores publicaron el trabajo en Nature Communications . La profesora Lydia H. Wong, de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la NTU, dirigió el equipo.
Por qué el agua de mar es dura
La mayoría de los electrolizadores disocian agua dulce y purificada. El agua de mar es mucho más abundante, pero su sal causa problemas. Cuando se le aplica una corriente eléctrica, los iones cloruro tienden a formar compuestos de cloro corrosivos y tóxicos.
Estos compuestos corroen los electrodos y generan sus propios problemas de residuos. Por lo tanto, la producción de hidrógeno a partir de agua de mar generalmente requiere primero una costosa desalinización o electrodos resistentes a la corrosión.
El suministro de agua dulce ya es una preocupación para los centros de hidrógeno planificados en regiones costeras áridas, incluidas partes de Australia, Oriente Medio y el norte de África. El uso directo de agua de mar aliviaría esa presión. También sería adecuado para estados insulares como Singapur, que cuenta con una estrategia nacional de hidrógeno pero con recursos hídricos limitados.
El diseño de la NTU evita gran parte de esto. El equipo equipó el ánodo con un catalizador que descompone la hidrazina en hidrógeno y nitrógeno. Al mismo tiempo, la reacción suprime la formación de compuestos de cloro.
Un cátodo de perovskita
En el otro extremo del dispositivo, los investigadores construyeron el cátodo con perovskitas de haluro de plomo. Estos materiales cristalinos absorben bien la luz y la convierten en electricidad de forma económica. Han despertado un gran interés en la investigación solar durante la última década. Además, los fabricantes pueden procesarlos a partir de soluciones a bajas temperaturas, lo que reduce los costos.
En este caso, el fotocátodo de perovskita alcanzó una densidad de fotocorriente de 25 miliamperios por centímetro cuadrado. La densidad de fotocorriente mide la cantidad de corriente que produce el dispositivo por área iluminada. El equipo afirma que esta cifra es una de las más altas registradas para cátodos de perovskita a base de plomo.
El dispositivo también mantuvo una salida estable durante más de 72 horas bajo una iluminación equivalente a la luz solar directa en un día despejado. Asimismo, produjo hidrógeno a un ritmo comparable al de dispositivos solares similares.
Limpieza del agua según funciona
Dado que la hoja funciona sin voltaje externo, es autoalimentada. En pocas palabras, la luz solar por sí sola impulsa ambas reacciones, sin necesidad de electricidad de la red ni de una batería. En las pruebas, degradó la hidracina a menos de una parte por mil millones en aproximadamente 30 horas. En efecto, el dispositivo eliminó casi todo el contaminante de la solución de prueba.
La hidracina se utiliza en procesos industriales, incluyendo la fabricación de productos químicos, y como propulsor de cohetes. Es tóxica para las personas y la vida acuática, por lo que las aguas residuales que la contienen requieren un tratamiento cuidadoso. Un dispositivo que la elimine durante la producción de combustible podría convertir un costo de eliminación en una pequeña fuente de valor.
Los investigadores detrás de la innovación. De izquierda a derecha: Dr. Stener Lie, Dr. Anupam Sadhu, Prof. Lydia H. Wong y Dr. Hao Zhe Chun de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de NTU. Crédito: NTU Singapur
Obstáculos antes de la expansión
Los resultados son a escala de laboratorio y aún quedan varias preguntas importantes por responder. Las perovskitas tienen una debilidad conocida: se degradan al exponerse a la humedad, el calor y la luz solar directa durante largos periodos. Tres días de funcionamiento estable constituyen un resultado notable para este tipo de material, si bien los sistemas comerciales deben funcionar durante años.
El uso de plomo también plantea interrogantes para cualquier dispositivo diseñado para sumergirse en agua. Los ingenieros tendrían que demostrar que el material permanece sellado durante largos periodos. Además, ampliar el tamaño de las pequeñas celdas de laboratorio a paneles de gran tamaño suele reducir la eficiencia.
Sin embargo, este trabajo se suma a un conjunto cada vez mayor de enfoques para la producción directa de hidrógeno mediante energía solar, incluyendo materiales solares multicapa que aceleran la disociación del agua . Para las instalaciones industriales costeras, producir hidrógeno a partir de agua de mar y, al mismo tiempo, tratar aguas contaminadas, resulta una combinación atractiva. El siguiente paso es demostrar que el concepto puede funcionar en condiciones reales fuera del laboratorio.
