Hidrógeno verde sin combustibles fósiles: así funciona el nuevo catalizador que rompe el agua

El consumo mundial de energía crece cada año, y más del 85 % de la demanda total sigue cubriéndose con combustibles fósiles: carbón, petróleo y gas natural. Esto tiene importantes implicaciones económicas y medioambientales. La producción se concentra en determinadas zonas del mundo, dando lugar a precios volátiles y elevados. La combustión de combustibles fósiles es la principal causa de las emisiones de gases de efecto invernadero (CO2), responsables del calentamiento global.

La situación actual es insostenible a medio plazo, por ello el desarrollo de economías y sociedades libres de combustibles fósiles es un reto importante.

El hidrógeno se identifica como un elemento crítico e indispensable en un sistema energético descarbonizado y sostenible. Actualmente, como combustible alternativo viable, sigue prometiendo mucho y aportando muy poco. Sin embargo, el hidrógeno podría desempeñar un papel importante en un futuro con bajas emisiones de carbono, complementando a la electricidad, como vector energético limpio, fácilmente almacenable y transportable; permitiendo un sistema energético más seguro con una reducción del consumo de combustibles fósiles.

La sostenibilidad del hidrógeno depende de la limpieza del método de producción y de la energía utilizada durante el proceso de obtención. En forma molecular puede obtenerse a partir de muchos recursos diferentes, como los combustibles fósiles, la biomasa y el agua.

Sostenibilidad en los procesos

Para extraer hidrógeno de estas fuentes, se consume una gran cantidad energía. Por lo tanto, aprovechar el potencial de las energías renovables (solar, eólica, mareomotriz, etc.) en las tecnologías de producción aseguraría su sostenibilidad.

Existen dos categorías de tecnologías de producción de hidrógeno en función de la materia prima utilizada: combustibles fósiles o recursos renovables.

Varias tecnologías maduras producen hidrógeno a partir de combustibles fósiles, siendo el reformado de hidrocarburos y la pirólisis las más utilizadas. Estas técnicas permiten producir casi toda la demanda actual de hidrógeno.

Dos son las tecnologías de producción de hidrógeno a partir de recursos renovables: las que utilizan biomasa y las que usan agua como fuente de hidrógeno.

La segunda clase, que es la que más nos interesa en este artículo, se refiere a los métodos que pueden producir H2 mediante procesos de división del agua como única sustancia de entrada, como son: la electrólisis, la termólisis y la fotolisis. Es importante destacar que el agua es el recurso natural más abundante que contiene hidrógeno.

Se puede producir la ruptura del agua si se proporciona suficiente energía. La forma más conocida y extendida es utilizando una corriente eléctrica (electrólisis) que pasa a través de dos electrodos para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Sin embargo, este método es intrínsecamente altamente ineficiente, debido a elevados sobrepotenciales tanto para el proceso de producción de H2 como sobre todo de O2.

También se puede dividir agua utilizando otras fuentes de energía, como la energía térmica (termólisis), la energía fotónica (fotocatálisis) y la biofotólisis mediante microorganismos.

Generación de hidrógeno mediante termólisis del agua

Teóricamente, el proceso termoquímico es el más eficiente para almacenar energía solar por descomposición directa de agua, produciendo solo hidrógeno y oxígeno. El problema es la temperatura extremadamente alta que requiere la reacción (4273º K). Esto implica resolver problemas técnicos como el desarrollo de materiales resistentes a altas temperaturas, las pérdidas de calor, y la necesidad de separar el oxígeno y el hidrógeno obtenidos a altas temperaturas para evitar su recombinación y la formación de mezclas explosivas.

Un proceso alternativo más eficiente es la división del agua mediante una serie de reacciones (redox) cíclicas endotérmicas y exotérmicas, idealmente utilizando la energía solar como fuente de energía. Estos procesos se conocen como ciclos termoquímicos. Los más atractivos, por su simplicidad y potencial aplicación, son los de dos etapas basados en óxidos metálicos. En estos ciclos, el óxido metálico se reduce térmicamente en una primera etapa.

En una segunda, el óxido reducido se reoxida con H2O para producir H2. La reducción de muchos óxidos que contienen cationes metálicos con estados de oxidación variables puede producirse a temperaturas relativamente bajas (770-1300 K), incluso en aire, mientras que la reoxidación con agua suele producirse a temperaturas aún más bajas (670-1070º K). Estos procesos en dos (o más) etapas a diferentes temperaturas suponen una complejidad tecnológica e industrial notable, encareciendo la producción de hidrógeno.

Sin embargo, los autores en colaboración con colegas de la UAM, UCM y ESRF-CSIC, han demostrado que algunos materiales que se pensaba que rompían el agua mediante un mecanismo redox de dos etapas, como el descrito, trabajan en condiciones isotermas y en continuo (a baja temperatura, 1070º K o menos), actuando como catalizador de un proceso donde no se produce transferencia de electrones entre el agua y el material. Así, el catalizador facilita la ruptura del agua, pero no sufre transformaciones estructurales ni electrónicas en el proceso de producción de hidrógeno.

El SFMO

En concreto, el material SrFe0.9Mo0.1O3-δ (SFMO) actúa como catalizador en condiciones de funcionamiento moderadas: se reduce a 1073º K en aire y puede disociar el agua para producir hidrógeno y oxígeno a la misma temperatura.

La prueba directa de la disociación del agua se realiza utilizando espectrometría de masas; la producción de hidrógeno por parte del material se determina inequívocamente utilizando agua pesada (D2O).

Además, se emplean la difracción de rayos-X sincrotrón y la espectroscopia de absorción de rayos-X in operando para seguir los cambios estructurales y electrónicos durante la reacción.

Se determina un mecanismo no redox sin incorporación de oxígeno al material reducido (no se reoxida). El material puede trabajar por largos períodos sin descomposición, segregación ni cambios estructurales irreversibles, lo que demuestra la alta estabilidad del SFMO. Estos hallazgos destacan al SFMO como un catalizador robusto y estable para la generación sostenible de hidrógeno, con un gran potencial de integración en tecnologías de división del agua impulsadas por energía solar.

María Teresa Azcondo y Ulises Amador Departamento de Química y Bioquímica, Universidad San Pablo CEU y Gloria Anemone, Departamento de Matemáticas, CUNEF Universidad.