Descubren un nuevo material que produce hidrógeno a partir de agua de forma eficiente

Investigadores de la Universidad Estatal de Oregón han creado un nuevo tipo de material que utiliza luz para producir hidrógeno a partir de agua, ofreciendo una forma potencialmente más limpia de convertir la energía solar en combustible. Este avance se basa en un photocatalizador capaz de generar hidrógeno de manera rápida y eficiente.

El estudio fue liderado por Kyriakos Stylianou del Colegio de Ciencias de OSU, quien destacó que el hidrógeno es ampliamente utilizado en celdas de combustible para vehículos, así como en la producción de amoníaco, refinación de metales y fabricación de plásticos.

Uso de luz para acelerar reacciones químicas

Un catalizador es una sustancia que acelera una reacción química sin sufrir cambios permanentes en el proceso. Un photocatalizador funciona de manera similar, pero se activa mediante luz. Al absorber luz, el material alcanza un estado energético más alto y puede utilizar esa energía para impulsar reacciones químicas de manera más rápida.

Los hallazgos, publicados en el Journal of the American Chemical Society, podrían proporcionar a los investigadores una nueva herramienta para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y abordar el cambio climático, según Stylianou. Su investigación se centra en marcos orgánicos metálicos, conocidos como MOFs, que son materiales cristalinos y porosos con estructuras que pueden ser cuidadosamente personalizadas.

Los MOFs se construyen a partir de iones metálicos cargados positivamente rodeados de moléculas orgánicas "enlazadoras". Sus diminutos poros y estructuras ajustables permiten a los científicos afinar sus propiedades para diferentes aplicaciones.

Según Stylianou, millones de estructuras diferentes de MOFs son teóricamente posibles. Hasta la fecha, los químicos han sintetizado casi 100,000 de ellos, mientras que las propiedades de aproximadamente medio millón más han sido predichas.

Un enlace de azufre inusual impulsa la reacción

Para este estudio, los investigadores se centraron en un MOF llamado BVR-19. Este material contiene un enlace sulfuro-sulfuro inusual que se rompe temporalmente cuando se expone a la luz, produciendo especies de azufre altamente reactivas.

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

Este enfoque significa que BVR-19 no requiere un catalizador metálico costoso adicional, lo que podría simplificar el diseño de futuros sistemas de producción de hidrógeno impulsados por luz. Además, el material se forma espontáneamente en soluciones acuosas a temperatura ambiente, lo que reduce la cantidad de energía necesaria para fabricarlo.

Una alternativa más limpia al hidrógeno convencional

La producción de hidrógeno mediante la división del agua con un catalizador puede ser más limpia que el método industrial dominante, que se basa en gas natural. Este proceso convencional, conocido como reformado de metano con vapor, libera dióxido de carbono mientras produce hidrógeno.

Los métodos existentes para fabricar hidrógeno a partir de agua a menudo dependen de la electrocatalisis, que utiliza electricidad para impulsar la reacción catalítica. Los beneficios ambientales de ese enfoque dependen en gran medida de la fuente de electricidad. Para seguir siendo sostenible y competitiva económicamente, la energía debe provenir de fuentes renovables de bajo costo.

Actualmente, el hidrógeno producido mediante reformado de metano con vapor cuesta alrededor de $1.50 por kilogramo, mientras que el hidrógeno verde cuesta aproximadamente $5 por kilogramo.

Nuevas reglas de diseño para un hidrógeno verde más barato

"Nuestro trabajo proporciona un plano para diseñar mejores materiales que pueden reducir el costo del hidrógeno verde", afirmó Stylianou, quien dirige el Laboratorio de Descubrimiento de Materiales de OSU, conocido como MaD Lab. "Al cambiar el metal mientras mantenemos el resto del material esencialmente igual, descubrimos 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 combustible solar".

Los miembros del MaD Lab, Emmanuel Musa, Dylan Pyle, Jacob Lessard, Andrzej Gladysiak, Ankit Yadav, Silas Blessed y Prayash Mohanty, se unieron en la investigación a otros investigadores de Oregon State: Logan Lancaster, Taylor Krueger, Min Soo Jung, Galen Fritz, Jacob Hirschi, Hongliang Huang, William Stickle, Xiulei "David" Ji, Chong Fang y Tim Zuehlsdorff.

El estudio fue respaldado por The Murdock Charitable Trust, la National Science Foundation y el OSU College of Science.