Se ha logrado por parte de unos investigadores sistemas de generación de hidrógeno mediante electrolísis con luz solar que es económicamente viable.
Comienzan al introducción de su artículo señalando la importancia de los sectores industriales de agua y la energía, refiriéndose a su producción y distribución, que están unidas de manera muy clara: es muy frecuente que para producir energía haga falta agua, y viceversa. Además de que cualquier actividad humana precisa, como mínimo, justamente estos dos componentes.
Incide después en el pricipal talón de aquiles de cualquier fuente renovable, y muy especialmente de la solar: su intermitencia y , algo que se suele decir poco, su <<difusividad>>, es decir, que tiene una densidad energética muy baja. Una posible solución es la conversión de energía solar en algún tipo de combustible líquido con mayores densidades de energía y capaz de almacenarse, para modular la intermitencia. Al mismo tiemp, ese combustible no debe emitir CO2 a la atmósfera, porque sino no sirve para luchar contra el calentamiento del planeta producido, precisamente por el aumento de niveles de este gas (y otros) por la actividad humana.
Por ello, el hidrógeno es un candidato ideal, con otra características: ya existe una industria del hidrógeno, con lo que los problemas relativos a su almacenamitento y distribución están solucionados, aunque sea a pequeña escala. Pero actualmente tiene un problema: casi todo el hidrógeno que produce la humanidad es de origen fósil. Es decir, se produce hidrógeno basándose en hidrocarburos, derivados del petróleo. Por eso hacen falta métodos capaces de producirlo de manera más limpia, sin emitir CO2. Y estos investigadores lo han logrado, al lograr producir H2 (gas hidrógeno neutro) mediante energía solar y un ánodo biológico a partir de agua residual, en un nuevo proceso de fotosíntesis artifical(1).
El problema es que los sistema de fotosíntesis artificial necesitan generar unos 1,9 V de potencial en el sistema en contacto con las moléculas de agua para romper el enlace entre el hidrógeno y el oxígeno. Y ese valor de potencial sólo lo tienen semiconductores de banda ancha(2), que no absorben bien el espectro solar. Otros materiales presentan sus propios problemas, como altos costes o materiales muy caros por escasos, dificultad de fabricación, etc.
Por otra parte, la mayoría de los sistemas que se han desarrollado hasta ahora utilizan sobre todo agua ultra pura, que exige un proceso previo que implica un gasto de energía importante. Por ello, el uso de aguas residuales es mucho más interesante, por que tienen que ser procesadas para su vuelta al ambiente de manera razonablemente segura, lo que también cuesta energía y no siempre se produce. Por ello, el usar las aguas residuales como material para la fotosíntesis artificial en lugar de agua pura es una idea muy interesante.
La solución que han adoptado en este artículo los investigadores es usar microbios para ayudar an la fotosíntesis artificial. Se trata de usar los microbios para oxidar la materia orgánica del agua, más que el el agua en sí. El potencial de oxidación que los microbios necesitan para tratar residuos orgánicos disueltos en el agua es tan bajo, que permitiría el uso de semiconductores basados en Si para ayudar a los microbios, lo que abarata notablemente el sistema, porque el Silicio es barato y abundante. Además, el ancho de banda de este material se ajusta bastante bien al espectro solar, de manera que puede usarse con luz solar directa.
Comentan que intentos anteriores de emplear este sistema no lograron una efciencia mínima de conversión de H2, que ellos fijan en 10 mA por cm2, además de no usar aguas residuales directamente.
Su sistema funciona usando lo que se denomina <<Silicio negro>>(3) para el fotocátodo, pero con una estructura interna un poco especial. Los investigadores la descrben como de queso suizo, y quieren señalar que las columnas habituales en las estrucutras del silicio negro estan muy retorcidas y torcidas, de manera que parecen una espcie de queso con agujeros. La razón de utilizar esta estructura es que el silicio negro, debido precisamente a su esttructura de pilares, se oxida muy rápidamente, lo que impide su uso industrial; pero el uso de la estructura de este trabajo hace que no tengan que proteger el material, sino que sea estable frente a oxidaciones por un tiempo muy largo: 90 horas de funcionamiento sin una degradación fuerte del material.
En el ánodo han empleado microbios electroactivos, es decir, microbios que bajo ciertas condiciones, generan energía eléctrica por oxidación de materia orgánica.
Otro de los elementos importantes del sistema desarrollado por estos investigadores es que no precisa de ningún tipo de voltaje externo, más allá del producido por la luz solar.
Con lo cual, con la estructura mostrada en la figura siguiente, lograron por un lado una estabilidad muy larga de la producción de Hidrógeno, sin necesidad de voltajes externos y con el beneficio añadido de que trataron una gran cantidad de agua residual.
Yendo de izquierda a derecha, la luz solar incide en el Silicio oscuro, el fotocátodo, generando electrones que se unen a los iones positivos del hidrógeno molecular para producir el gas. En los dos bioánodos del centro, los microbios oxidan los contaminantes del agua, generando los iones de Hidrógeno. En el cátodo de aire de la izquierda, se unen con grupos hidroxilos para formar agua limpia.
Usando diversas técnicas de imagen, pudieron observar su silicio negro, y comprobar como era muy distinto del más habitual, al tener sus pilares no completamente rectos, sino ondulados. La siguiente foto muestra ese fenómeno.
En esta imagen SEM se puede ver con claridad como los diversos pilares de Silicio se han torcido y mezclado, generando la estrucutura que comentaban en forma de queso. También se observa el catalizador MoSx, que ayuda a producir Hidrógeno.
El artículo completo se puede localizar en: Unbiased solar H2 production with current density up to 23 mA cm−2 by Swiss-cheese black Si coupled with wastewater bioanode
Notas:
(1) Fotosíntesis artificial (APS en sus siglas en Inglés) es el proceso de separación de los dos gases del agua, hidrógeno y oxígeno, pero en lugar de con plantas, con sistemas artificiales creeados por el hombre. Su mayor problema es que suelen ser caros y de corta duración.
(2) La banda de un semiconductor es el voltaje (equivalente a la energía) que tiene que tener un fotón si quiere arrancar un electrón del material semiconductor y que circule. La idea para la disociación del agua es la siguiente: El semiconductor produce los electrones de la energía adecuada al exponerse al sol, por la acción de los fotones de la luz solar, y luego esos electrones chocan contra las moléculas de agua, y debido a su energía, la separan en sus moléculas fundamentales.
(3) Silicio negro, black Silicon en inglés, es una forma de nanoestructurar el Silicio que permite una mayor absorción de la luz solar, incrementando dramáticamente la eficiencia de las células solares. Un artículo en inglés donde lo explica muy bien está disponible en la Wikipedia: Black Silicon
(4) SEM: Microscopía Electrónica de barrido. Un sistema de observar muestras de muy pequeño tamaño con gran resolución espacial, porque emplea electrones para realizar la imagen. En la Wikipedia tiene un artículo bastante bueno sobre el tema: SEM(Wikipedia)