Una nueva alternativa para el aprovechamiento energético de la luz solar

El diseño de sistemas eficientes para lograr la producción de hidrógeno a partir de agua utilizando luz solar es uno de los retos más importantes a los que se enfrenta la investigación en energía renovable teniendo en cuenta el potencial del hidrógeno como vector energético limpio y sostenible. Hasta la fecha se han logrado algunos avances en estos procesos fotoquímicos de producción de hidrógeno aunque con limitados resultados en eficiencia y durabilidad. Investigadores del Instituto Weizmann han presentado recientemente una nueva aproximación para llevar a cabo de forma eficiente y simple la ruptura de la molécula de agua con luz solar.

[R. M. Navarro – Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC)]

Proyecciones acerca de las necesidades globales energéticas para satisfacer un desarrollo sostenible indican la necesidad de aumentar la capacidad de producción de energía limpia en un 50% en el año 2030^[1]. Este incremento en la capacidad de producción a corto plazo se deberá realizar indefectiblemente mediante el aprovechamiento de la energía solar directa. Las investigaciones recientes en el aprovechamiento de la energía solar directa siguen tres principales estrategias. La primera de ellas es la de la conversión directa de la luz solar en electricidad utilizando los sistemas fotovoltaicos que en la actualidad se están instalando en todo el mundo. Los retos que debe afrontar esta aproximación tecnológica pasan por incrementar su eficiencia y durabilidad así como reducir su coste. En este sentido se están realizando considerables esfuerzos en investigación en células fotovoltaicas alternativas a las actuales basadas en silicio utilizando nuevos diseños de capa delgada basados en silicio amorfo, CdTe, CuInGaSe o compuestos orgánicos. La segunda de las estrategias seguidas para el aprovechamiento de la energía solar es mediante el uso de la fotosíntesis natural para la obtención de biocombustibles a partir de cultivos o de residuos agroforestales. Alguna de estas aproximaciones, como la transformación de maíz en etanol, tiene ventajas medioambientales marginales en términos económicos y de beneficios en la emisión de CO₂. Otras fuentes de biomasa, como pastos naturales o residuos agrícolas, pueden ser económicamente y medioambientalmente más viables. Sin embargo para que dichas fuentes puedan ser aprovechadas eficientemente se deben desarrollar métodos para la fácil ruptura, mediante procesos catalíticos o enzimáticos, de la celulosa en sus azúcares individuales y para la rápida conversión de dichos azúcares en combustibles líquidos. La tercera estrategia de aprovechamiento de la energía solar directa se basa en procesos de fotosíntesis artificial. En este tipo de sistemas se utilizan semiconductores (fotocatalizadores) o moléculas organometálicas complejas (cromóforos) que son excitadas mediante luz solar generando electrones y cargas positivas que tras su separación pueden ser utilizadas respectivamente en reacciones de reducción y oxidación. Los pasos clave de este tipo sistemas son (Figura 1): (i) absorción de luz por el fotocatalizador o cromóforo y generación en ellos de electrones y cargas positivas, (ii) transferencia de los electrones y las cargas positivas generadas a moléculas receptoras donde tienen lugar, (iii) las reacciones de los electrones y las cargas positivas para reducir y oxidar a moléculas de interés.

Figura 1.- Esquema simplificado de ruptura de agua a través de un esquema de fotosíntesis artificial. La absorción de un fotón en el cromóforo o semiconductor provoca la generación de un electrón y una carga positiva. La transferencia de los electrones es facilitada por la presencia de un aceptor A mientras que la de las cargas positivas lo es por la presencia de un electrodonor D.

Una de las reacciones más estudiadas utilizando esta estrategia de fotosíntesis artificial es la de la ruptura de la molécula de agua en H₂ y O₂ (Figura 1) teniendo en cuenta el potencial que ofrece el hidrógeno como vector energético limpio y eficiente. El diseño de sistemas eficientes para lograr la ruptura de la molécula de agua en H₂ y O₂ con luz solar es uno de los más importantes retos a los que se enfrenta la investigación en energía renovable en la actualidad. Hasta la fecha se han logrado avances en estos procesos fotoquímicos de producción de hidrógeno  aunque con resultados limitados por su baja eficiencia y durabilidad. Sin embargo, el trabajo recientemente publicado por el Prof. David Milstein y col. del Instituto Weizmann^[2] presenta una nueva aproximación para llevar a cabo de forma eficiente y simple la ruptura de la molécula de agua con luz solar.  La nueva aproximación que propone el equipo del Prof. Milstein (Figura 2) está dividida en dos etapas consecutivas, una térmica que genera hidrógeno y otra solar que genera oxígeno utilizando como mediador una molécula organometálica de Ru (R-Ru-R’). Esta molécula organometálica de Ru  tiene la capacidad de extraer H₂ de la molécula de agua a una temperatura próxima a 100ºC y de regenerarse en una etapa posterior con luz generando oxígeno (Figura 2).

Figura 2.- Esquema simplificado de ruptura de agua a través de las nuevas etapas propuestas por el Prof. Milstein utilizando un mediador organometálico de Ru (R-Ru-R’).

La molécula organometálica de Ru diseñada por el Prof. Milstein representa un notable avance para la producción eficiente de hidrógeno a partir de agua y luz solar ya que permite un novedoso mecanismo de ruptura de agua utilizando un proceso molecular relativamente simple y sin necesidad de agentes químicos de sacrificio. En próximos estudios los autores planifican dar respuesta a los retos que se han planteado en esta primera fase de la investigación respecto a la durabilidad de la molécula mediadora y respecto a la mejora del balance energético asociado a la etapa térmica. Aunque la industrialización de este tipo de proceso aún parece lejana no cabe duda de que el hecho de que con un sistema molecular simple se pueda lograr la ruptura de la molécula de agua estimulará la investigación en procesos similares que faciliten el alcanzar sistemas energéticos sostenibles de futuro.

[1] www.eia.doe.gov/oiaf/ieo

[2] Science, vol 324, 3 April 2009, 74-77