- El dispositivo desarrollado en la NTU produce hidrógeno a partir de agua de mar y degrada la hidracina.
- El sistema utiliza la luz solar para impulsar reacciones químicas sin necesidad de una fuente eléctrica externa.
- El aparato degrada la hidracina directamente en el agua, reduciendo su concentración a niveles seguros.
- El estudio muestra que el sistema tiene valor económico y ambiental en las tecnologías solares de combustibles.
Científicos de la Nanyang Technological University de Singapur han desarrollado un dispositivo solar capaz de generar hidrógeno a partir de agua de mar al mismo tiempo que degrada la hidracina, un contaminante industrial de alta toxicidad. Los investigadores describen el sistema como un enfoque de doble propósito que combina la producción de combustible limpio con el tratamiento de aguas residuales. El dispositivo aprovecha la luz solar para generar la electricidad necesaria para impulsar las reacciones químicas, inspirado en la forma en que las hojas capturan la luz, sin requerir una fuente de energía externa.
El hidrógeno se produce generalmente mediante la electrólisis del agua, un proceso en el que la electricidad descompone las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno. Los electrones llegan al cátodo (electrodo negativo), donde contribuyen a formar hidrógeno. El uso de agua de mar puede hacer este proceso más sostenible, ya que elimina la necesidad de agua dulce y de tratamientos adicionales para retirar la sal. Sin embargo, los iones de cloro presentes en el agua de mar pueden interferir en la electrólisis, y el proceso también puede generar compuestos clorados corrosivos y tóxicos que dañan los electrodos. El equipo de la NTU, dirigido por la profesora Liya Huang de la School of Materials Science and Engineering, resolvió estos problemas cambiando la reacción en el ánodo.
Cómo funciona el dispositivo
El catalizador del ánodo, compuesto de hierro, cobalto y cromo, descompone la hidracina en hidrógeno y nitrógeno. Como esta reacción requiere menos energía que la generación de oxígeno en la electrólisis tradicional del agua, el sistema puede producir hidrógeno con un menor consumo energético. El ánodo también elimina la hidracina del agua mientras genera hidrógeno adicional.
Los investigadores construyeron el cátodo con una perovskita basada en halogenuros de plomo, un material semiconductor capaz de absorber la luz solar y convertirla en electricidad. Emplearon una resina epoxi conductora con partículas de plata y cobre, junto con una lámina de titanio, para proteger el cátodo de la degradación. Pruebas con agua de mar simulada y real mostraron que el dispositivo genera una corriente estable bajo irradiación. Alcanzó una densidad de fotocorriente de 25 mA cm⁻², que mide la corriente producida por el área iluminada del electrodo. El sistema funcionó de forma continua durante más de 72 horas bajo una irradiancia equivalente a un día soleado en la superficie terrestre, produciendo hidrógeno a una tasa de 466 μmol cm⁻² h⁻¹, un rendimiento que los investigadores consideran comparable al de otros sistemas solares.
Un avance significativo en tecnología ambiental
El dispositivo también demostró su capacidad para tratar aguas residuales. Degrada la hidracina directamente en el agua, sin necesidad de separar primero el contaminante. En 30 horas, el sistema redujo la concentración de hidracina de 0.5 M (aproximadamente el 1.6 % en peso) a 0.5 ppb. Esta concentración final está muy por debajo del límite de 10 ppb permitido por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos, siendo más de 20 veces inferior. "Este dispositivo de doble función representa un avance significativo en tecnología ambiental. Al capturar eficientemente la energía solar para descomponer contaminantes industriales tóxicos y, al mismo tiempo, recolectar combustible limpio, estamos abordando a la vez el problema energético y el de la contaminación", declaró la profesora Huang en un comunicado de prensa.
"Este avance no consiste solo en producir hidrógeno solar, sino en demostrar una vía práctica hacia sistemas fotoelectroquímicos multifuncionales. Este enfoque de doble uso, en el que el valor económico y el impacto ambiental deben ir de la mano, será cada vez más importante en el despliegue futuro de las tecnologías solares de combustibles", añadió James Durant, profesor de Fotoquímica y Energía Sostenible en el Department of Chemistry de la University of Oxford, que no participó en el estudio.
El equipo trabaja actualmente en el desarrollo de catalizadores capaces de actuar sobre otros contaminantes y de convertir residuos en productos útiles, incluidos combustibles y化学品 industriales. La investigación se publicó en la revista Nature Communications.
El potencial de los sistemas fotoelectroquímicos multifuncionales
La relevancia de este estudio reside en su innovadora combinación de producción de hidrógeno y tratamiento de aguas residuales, lo que demuestra el potencial de las tecnologías sostenibles. A medida que aumenta la demanda mundial de energía limpia, este tipo de sistema de doble propósito no solo puede abordar eficazmente el problema energético, sino también tratar la contaminación ambiental, en línea con las actuales tendencias de desarrollo sostenible. Además, el desarrollo continuo de catalizadores por parte del equipo de investigación ampliará aún más su alcance de aplicación, lo que podría tener un impacto profundo en las futuras tecnologías ambientales.