«Hoja artificial» solar produce hidrógeno del mar y descompone hidracina tóxica
Investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU) en Singapur han construido un dispositivo alimentado por energía solar que produce hidrógeno a partir de agua de mar mientras descompone la hidracina, un contaminante muy tóxico de las aguas residuales industriales. El trabajo se detalla en la revista Nature Communications.
El equipo llama a este diseño de prueba de concepto una «hoja artificial»: combina una célula solar en miniatura, un electrolizador y un sistema de tratamiento de aguas residuales en un solo dispositivo. Se inspira en las hojas reales, que usan la luz solar para impulsar reacciones químicas.
Dos problemas resueltos con un solo dispositivo
En las pruebas, el dispositivo funcionó de forma estable durante más de 72 horas y produjo hidrógeno a una tasa de 466 micromoles por centímetro cuadrado por hora. En un experimento aparte, una versión más grande redujo la concentración de hidracina en agua contaminada de 0,5 molar (aproximadamente un 1,6 % en peso) a 0,5 partes por mil millones en unas 30 horas. Eso es más de 20 veces por debajo del límite de 10 partes por mil millones de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. citado por los investigadores.
«Este dispositivo de doble función representa un gran avance para la tecnología medioambiental», afirmó la profesora Lydia Wong, una de las investigadoras. «Al aprovechar eficientemente la energía solar para descomponer un contaminante industrial tóxico y, al mismo tiempo, obtener combustible limpio, estamos resolviendo a la vez un problema energético y un problema de contaminación».
Cómo funciona la química
La electrólisis divide el agua en hidrógeno y oxígeno mediante electricidad: el hidrógeno se forma en el electrodo negativo (cátodo) y el oxígeno en el positivo (ánodo). El oxígeno a menudo simplemente se libera, por lo que mucha energía se destina a un producto «de desecho». El agua de mar es atractiva como materia prima porque es abundante, pero su cloruro corroe los electrodos y puede desencadenar reacciones que producen compuestos tóxicos de cloro.
El equipo de NTU sustituyó la producción de oxígeno en el ánodo por la descomposición de la hidracina. Un catalizador especial convierte la hidracina en nitrógeno gaseoso y además genera hidrógeno adicional. Descomponer la hidracina requiere mucha menos energía que producir oxígeno, por lo que la obtención de hidrógeno en el cátodo resulta más eficiente energéticamente. El catalizador contiene hierro, cobalto y cromo, lo que lo hace resistente a la corrosión y ayuda a suprimir los compuestos tóxicos de cloro.
Un cátodo de perovskita que se alimenta solo
El cátodo está hecho de perovskitas de haluro de plomo, semiconductores que absorben la luz y la convierten en electricidad. Esto permite que el dispositivo funcione sin fuente de alimentación externa. Las perovskitas son vulnerables a la humedad y a los productos químicos agresivos, por lo que los investigadores las protegieron con una capa de epoxi conductor que contiene partículas de plata y cobre y una lámina de titanio que impide el paso del agua pero deja pasar la carga. El titanio se recubrió con una fina capa de platino para ayudar a producir hidrógeno.
Condiciones de las pruebas y resultados
El dispositivo se colocó en soluciones alcalinas de agua de mar simulada y real con hidracina añadida, bajo luz artificial equivalente a la intensidad de la luz solar en un día despejado. En ambos casos generó una densidad de fotocorriente de unos 25 miliamperios por centímetro cuadrado, de las más altas registradas para fotocátodos de perovskita a base de plomo, sin electricidad externa. Para la prueba con hidracina, el equipo amplió el fotocátodo de 0,56 a 6,25 centímetros cuadrados. También probaron la hoja al aire libre con luz solar natural y vieron formarse burbujas de hidrógeno y nitrógeno, lo que demuestra que puede funcionar fuera de la iluminación de laboratorio.
Los resultados proceden de un prototipo de laboratorio, no de un sistema comercial. Más información en nuestra sección de tecnología.