Resumen:
Los investigadores han desarrollado recientemente un nuevo dispositivo de "hoja artificial" inspirado en hojas naturales, que puede utilizar la luz solar para producir hidrógeno limpio directamente a partir de agua de mar contaminada y, al mismo tiempo, descomponer el contaminante tóxico hidracina en aguas residuales industriales, logrando las dos funciones de producción de energía y purificación de agua simultáneamente. Este resultado ha sido publicado en la revista "Nature Communications" y se considera que proporciona una nueva idea más eficiente y sostenible para la futura producción de energía de hidrógeno verde.
El hidrógeno se considera ampliamente como una de las fuentes de energía limpia más importantes del futuro, pero el proceso tradicional de producción de hidrógeno a menudo requiere una gran cantidad de energía. El método más común actualmente es la electrólisis del agua, que utiliza corriente eléctrica para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Sin embargo, la mayoría de los sistemas de electrólisis dependen de preciosos recursos de agua dulce. Aunque el agua de mar es abundante, es difícil utilizarla directamente porque contiene una gran cantidad de iones cloruro. Los iones de cloruro no solo reducen la eficiencia de la reacción, sino que también pueden producir subproductos de cloración corrosivos y tóxicos, causando daños al equipo.
Para superar estos problemas, un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur diseñó un nuevo dispositivo impulsado por luz. El dispositivo puede recolectar energía solar al igual que las hojas de las plantas realizan la fotosíntesis y convertir la energía luminosa directamente en la energía eléctrica necesaria para impulsar reacciones químicas sin la necesidad de un suministro de energía externo adicional.
El equipo de investigación introdujo un catalizador compuesto de hierro, cobalto y cromo en la parte anódica del dispositivo. El catalizador descompone la hidracina, una sustancia química altamente tóxica que se encuentra comúnmente en las aguas residuales industriales, en hidrógeno y nitrógeno. En comparación con la reacción que produce oxígeno en los procesos tradicionales de electrólisis del agua, este proceso de oxidación de hidracina requiere menos energía, por lo que puede mejorar significativamente la eficiencia general de la producción de hidrógeno. Al mismo tiempo, la hidracina como contaminante se elimina eficazmente, realizando la función de purificación de las aguas residuales.
Los investigadores dicen que este diseño aporta beneficios dobles. Por un lado, el cátodo utiliza la luz solar para impulsar el agua de mar y producir hidrógeno; por otro lado, el ánodo también produce hidrógeno adicional mientras procesa la dañina hidracina, aumentando así la producción total de hidrógeno del sistema. Además, el catalizador tiene una excelente resistencia a la corrosión y sus propiedades eléctricas, físicas y químicas se pueden ajustar según los diferentes requisitos de la aplicación.
Más importante aún, este mecanismo de reacción también puede inhibir significativamente la generación de subproductos de cloruro dañinos durante la electrólisis del agua de mar. Debido a la menor generación de sustancias corrosivas y tóxicas, se espera mejorar la estabilidad operativa y la vida útil del equipo.
En la parte de conversión fotoeléctrica, los investigadores utilizaron materiales de perovskita de haluro de plomo para fabricar cátodos. Este tipo de material semiconductor ha atraído una gran atención en los últimos años debido a su alta eficiencia a la hora de absorber la energía luminosa y convertirla en energía eléctrica. Para evitar que el material se degrade debido al ambiente del agua de mar, el equipo lo protegió utilizando resina epoxi conductora que contenía partículas de plata y cobre, así como lámina de titanio.
Los resultados experimentales muestran que el dispositivo puede generar corriente de manera estable, ya sea en agua de mar simulada o en muestras de agua de mar reales. Su densidad de fotocorriente alcanza los 25 miliamperios por centímetro cuadrado, lo que se encuentra en el nivel líder entre los resultados reportados actualmente del fotocátodo de perovskita a base de plomo, lo que indica su excelente capacidad de conversión de energía solar.
La prueba de estabilidad también tuvo buenos resultados. En condiciones equivalentes a la intensidad de la luz solar natural en un día despejado, el dispositivo ha estado funcionando continuamente durante más de 72 horas y su rendimiento se mantiene estable. Al mismo tiempo, las concentraciones de hidracina se redujeron de 0,5 moles por litro a 0,5 partes por mil millones (ppb), muy por debajo del límite de seguridad de 10 ppb de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU.
El equipo de investigación cree que esta tecnología demuestra la viabilidad de utilizar energía solar para impulsar directamente el agua de mar para producir hidrógeno y tratar simultáneamente los contaminantes. A continuación, planean ampliar aún más el alcance de aplicación de la plataforma para permitirle manejar más tipos de contaminantes y explorar la posibilidad de convertir desechos en combustibles o productos químicos industriales, promoviendo así el desarrollo integrado de energía verde y tecnologías de gestión ambiental.
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