La capacidad de las plantas para recolectar la luz solar y dividir el agua en hidrógeno y oxígeno a través de la fotosíntesis ha fascinado a los científicos durante mucho tiempo. quienes han buscado replicar el proceso para capturar hidrógeno como fuente de combustible renovable y sustentable.

A pesar de su promesa, el uso a gran escala de hidrógeno está restringido por el costo y la eficiencia en sus procesos de extracción, que requiere una entrada de energía para revertir la reacción que combina oxígeno e hidrógeno en primer lugar.

Un método es la electrólisis, donde se aplica una corriente eléctrica al agua insertando dos electrodos y se rompe el enlace químico entre los átomos de hidrógeno y oxígeno.

Esto libera el hidrógeno como un gas que se puede capturar y convertir en energía eléctrica en una celda de combustible. donde los únicos subproductos de su uso son el calor y el agua.

El desafío para los científicos es encontrar un catalizador para impulsar la electrólisis que requiera menos energía de la que se obtiene del hidrógeno resultante.

Lo que complica las cosas es que los materiales utilizados en la electrólisis comienzan a corroerse cuando se aplica una corriente, requiriendo el uso de metales nobles, como el platino, oro o plata.

Estos son metales caros y raros que se utilizan normalmente en electrónica, medicina y como catalizadores de reacciones químicas.

Desafíos catalíticos

Dr. Yi Du, un investigador principal en el Instituto de Materiales Superconductores y Electrónicos de la Universidad de Wollongong (ISEM), dijo que el mayor desafío en la división del agua a escala industrial es encontrar productos altamente eficientes, electrocatalizadores de bajo costo y abundantes en la tierra, que puede reducir el voltaje necesario para dividir el agua en hidrógeno.

"El agua es una fuente limpia a la que se puede acceder de forma sostenible, lo que lo convierte en un sustituto atractivo y prometedor del gas licuado de petróleo si podemos reducir la energía demandada para dividir el agua, "Dijo el Dr. Du.

"Generalmente hablando, hay pocos electrocatalizadores que hagan que la producción de hidrógeno sea lo suficientemente rentable para su uso a escala comercial ".

El equipo del Dr. Du en ISEM, en colaboración con investigadores de la Universidad de Beihang en China, han fabricado un electrocatalizador de alto rendimiento utilizando un metal de bajo costo que está demostrando ser adecuado para su uso en la división de agua.

Los óxidos de titanio son una materia prima abundante que se encuentra comúnmente como un polvo blanco en los minerales, arenas y suelos, y se utilizan a menudo como pigmentos en productos como protectores solares, productos cosméticos, pinturas y adhesivos, entre otros usos.

Si bien el titanio tiene una excelente resistencia a la corrosión y conductividad eléctrica, en su óxido es un aislante, y los investigadores han pensado durante mucho tiempo que no es adecuado para su uso como electrocatalizador.

El equipo del Dr. Du pudo tomar un solo cristal de óxido de titanio y en una cámara de vacío, eliminar todos los átomos de oxígeno de la superficie, dejando un conductor, material catalizador duradero y eficiente que es barato y fácil de producir

"En comparación con un catalizador tradicional, el óxido de titanio conductor requiere muy poca energía para impulsar el proceso de separación del agua por electrólisis, "Dijo el Dr. Du.

"Al introducir una gran cantidad de vacantes de oxígeno en la superficie del material, podemos optimizar sus propiedades físicas y químicas para que sean activos para la división del agua.

"Hemos demostrado que una serie de tierra abundante, Los materiales de bajo costo y químicamente estables basados ​​en titanio son electrocatalizadores prometedores en la división del agua. lo que puede reducir en gran medida el costo de esta técnica y acelerar el uso a gran escala ".

Potencial energético de cero emisiones

Si la energía eléctrica para alimentar la reacción también se obtiene de la generación renovable, el proceso tiene el potencial de ser casi neutro desde el punto de vista energético.

"Hay bastantes aplicaciones para usar este combustible, quizás la aplicación más prometedora es la división de agua a gran escala para las fábricas de energía que tienen altas demandas de energía, "Dijo el Dr. Du.

El hidrógeno se puede convertir en energía eléctrica a través de pilas de combustible que pueden funcionar de forma continua en presencia de hidrógeno y oxígeno.

"El uso de células solares para recolectar energía para impulsar el proceso también es una forma prometedora de producir hidrógeno de forma sostenible con cero emisiones para su uso en el transporte a través de vehículos de pila de combustible de hidrógeno".

Si bien agarrar la manguera del jardín para alimentar el automóvil puede parecer ciencia ficción, El Dr. Du dijo que los desafíos fundamentales en el lado de la producción de la ecuación del hidrógeno eran el costo y la eficiencia.

"El mayor desafío sigue siendo el costo del catalizador. Por eso necesitamos un catalizador eficiente y barato, que puede convertir el agua en hidrógeno de forma eficaz ".

El trabajo fue publicado recientemente en la revista Catálisis ACS y se basa en la colaboración con la Universidad de Beihang a través del Centro de Investigación Conjunto Beihang-UOW.