Un rayo de hidrógeno: China transforma la energía solar en combustible limpio

Investigadores chinos afirman haber mejorado significativamente la eficiencia de la conversión de agua en energía de hidrógeno limpio mediante el uso de la luz solar.

Se trata de un avance en la disociación fotocatalítica del agua para la producción de hidrógeno mediante la “remodelación estructural” y la “sustitución de elementos” en un material semiconductor, citado por Xinhua.

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La producción actual de hidrógeno con energía solar se basa principalmente en dos métodos: uno utiliza paneles solares para generar electricidad para la electrólisis del agua, lo que requiere equipos complejos y costosos, mientras que el otro emplea materiales semiconductores como catalizadores para dividir directamente las moléculas de agua bajo la luz solar, según Liu Gang, director del Instituto de Investigación de Metales de la Academia China de Ciencias y líder del equipo de investigación.

La clave para dividir el agua directamente con la luz solar reside en un material llamado dióxido de titanio. Al exponerse a la luz solar, funciona como una central eléctrica microscópica, generando pares electrón-hueco energizados que descomponen las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno, explicó Liu.

Sin embargo, el dióxido de titanio tradicional presenta un defecto crítico: su estructura interna se asemeja a un laberinto, lo que provoca que los electrones y huecos activados colisionen aleatoriamente, se recombinen y se aniquilen en una millonésima de segundo. Además, el proceso de fabricación a alta temperatura del material suele provocar la pérdida de átomos de oxígeno, creando “zonas de trampa” con carga positiva que capturan electrones.

El equipo de Liu abordó estos problemas introduciendo escandio, un elemento de tierras raras vecino al titanio en la tabla periódica, para reestructurar el material.

Los iones de escandio, de tamaño similar a los iones de titanio, encajan perfectamente en la red del dióxido de titanio sin causar distorsión estructural. Su valencia estable neutraliza el desequilibrio de carga causado por las vacantes de oxígeno, eliminando las “zonas de trampa”. Además, los átomos de escandio reconstruyen la superficie del cristal, creando facetas específicas que actúan como “autopistas y pasos elevados electrónicos”, permitiendo que los electrones y huecos escapen del laberinto eficientemente.

Mediante un control preciso, el equipo de investigación desarrolló con éxito un material especializado de dióxido de titanio con un rendimiento significativamente mejorado: su aprovechamiento de la luz ultravioleta superó el 30 % y su eficiencia de producción de hidrógeno bajo luz solar simulada fue 15 veces superior a la de los materiales de dióxido de titanio reportados previamente, estableciendo un nuevo récord, afirmó Liu.

“Si se utiliza para crear un panel de material fotocatalítico de un metro cuadrado, se pueden producir alrededor de 10 litros de hidrógeno en un día de luz solar”, afirmó Liu.

El logro se publicó en el último número del Journal of the American Chemical Society.