Investigadores de la Universidad de Cambridge han desarrollado un dispositivo flotante alimentado por energía solar que puede convertir agua contaminada o agua de mar en combustible de hidrógeno limpio y agua purificada, en cualquier parte del mundo.
El dispositivo podría resultar útil en entornos con recursos limitados o fuera de la red, ya que funciona con cualquier fuente de agua abierta y no requiere ninguna energía externa.
Se inspira en la fotosíntesis, el proceso mediante el cual las plantas convierten la luz solar en alimento. Sin embargo, a diferencia de versiones anteriores de la "hoja artificial", que podía producir combustible de hidrógeno verde a partir de fuentes de agua limpia, este nuevo dispositivo funciona a partir de fuentes de agua contaminada o de mar y puede producir agua potable limpia al mismo tiempo.
Las pruebas del dispositivo demostraron que era capaz de producir agua limpia a partir de agua altamente contaminada, agua de mar e incluso del río Cam en el centro de Cambridge. Los resultados se publican en la revista Nature Water .
"Reunir la producción de combustibles solares y la purificación de agua en un solo dispositivo es complicado", afirmó el Dr. Chanon Pornrungroj del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, coautor principal del artículo.
"La división del agua impulsada por la energía solar, donde las moléculas de agua se descomponen en hidrógeno y oxígeno, debe comenzar con agua totalmente pura porque cualquier contaminante puede envenenar el catalizador o causar reacciones químicas secundarias no deseadas", señaló
Extremadamente difícil purificar el agua
"En regiones remotas o en desarrollo, donde el agua potable es relativamente escasa y la infraestructura necesaria para la purificación del agua no está disponible, la división del agua es extremadamente difícil", dijo el coautor principal Ariffin Mohamad Annuar. "Un dispositivo que pudiera funcionar con agua contaminada podría resolver dos problemas a la vez: podría dividir el agua para producir combustible limpio y podría producir agua potable".
Alos investigadores de Cambridge se les ocurrió un diseño que hizo precisamente eso. Depositaron un fotocatalizador sobre una malla de carbono nanoestructurada que absorbe bien la luz y el calor, generando el vapor de agua utilizado por el fotocatalizador para crear hidrógeno. La malla de carbono porosa, tratada para repeler el agua, sirvió tanto para ayudar al fotocatalizador a flotar como para mantenerlo alejado del agua debajo, de modo que los contaminantes no interfieran con su funcionalidad.
Además, el nuevo dispositivo utiliza más energía del sol. "El proceso impulsado por la luz para producir combustibles solares sólo utiliza una pequeña porción del espectro solar; hay una gran cantidad de espectro que no se utiliza", dijo Mohamad Annuar.
El equipo utilizó una capa blanca que absorbe los rayos UV encima del dispositivo flotante para la producción de hidrógeno mediante la división del agua. El resto de la luz del espectro solar se transmite a la parte inferior del dispositivo, que vaporiza el agua.
Mayor aprovechamiento de la luz solar
"De esta manera aprovechamos mejor la luz: obtenemos el vapor para la producción de hidrógeno y el resto es vapor de agua", afirmó Pornrungroj. "De esta manera, realmente estamos imitando una hoja real, ya que ahora hemos podido incorporar el proceso de transpiración".
Un dispositivo que pueda producir combustible limpio y agua limpia al mismo tiempo utilizando únicamente energía solar podría ayudar a abordar las crisis de energía y agua que enfrentan tantas partes del mundo.
Por ejemplo, la contaminación del aire interior causada por cocinar con combustibles "sucios", como el queroseno, es responsable de más de tres millones de muertes al año, según la Organización Mundial de la Salud. En cambio, cocinar con hidrógeno verde podría ayudar a reducir esa cifra significativamente. Y 1.800 millones de personas en todo el mundo todavía carecen de agua potable en sus hogares.
Diseño sencillo
"Además, se trata de un diseño muy sencillo: en tan sólo unos pocos pasos podemos construir un dispositivo que funcione bien con agua de una amplia variedad de fuentes", afirmó Mohamad Annuar.
"Es muy tolerante a los contaminantes y el diseño flotante permite que el sustrato funcione en agua muy turbia o fangosa", dijo Pornrungroj. "Es un sistema muy versátil".
"Nuestro dispositivo sigue siendo una prueba de principio, pero este es el tipo de soluciones que necesitaremos si queremos desarrollar una economía verdaderamente circular y un futuro sostenible", dijo Reisner, quien dirigió la investigación. "La crisis climática y los problemas relacionados con la contaminación y la salud están estrechamente relacionados, y desarrollar un enfoque que pueda ayudar a abordar ambos cambiaría las reglas del juego para muchas personas".
La investigación fue apoyada en parte por el programa Horizonte 2020 de la Comisión Europea, el Consejo Europeo de Investigación, el Cambridge Trust, el Programa de Patrocinio Educativo Petronas y el Programa Winton para la Física de la Sostenibilidad.
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