La revolución del hidrógeno solar: nuevos polímeros ultrananoestructurados impulsan el futuro de la energía limpia
Autores: Sandra Palenzuela-Rebella, Teresa Naranjo, Miguel Gomez-Mendoza, Mariam Barawi, Marta Liras, Víctor A. de la Peña O´Shea.
El futuro del hidrógeno solar se impulsa desde la Unidad de Procesos Fotoactivados del Instituto IMDEA Energía, en una línea de investigación liderada por Víctor A. de la Peña O´Shea y Marta Liras, donde su equipo ha logrado avances que marcan un antes y un después en el uso de materiales híbridos organo-inorgánicos para la generación de combustibles solares.
En el marco del proyecto europeo FotoArt5.0-CM (TEC-2024/TEC-308), como continuación del proyecto FotoArt-CM (S2018/ NMT-4367), junto con NanoCPP (899773) y el respaldo del Consejo Europeo de Investigación (ERC-PoC), se ha podido marcar un antes y un después en el desarrollo de materiales para la conversión de energía solar en hidrógeno. Estos resultados, obtenidos durante la tesis doctoral de Sandra Palenzuela-Rebella, demuestran el enorme potencial de las técnicas microfluídicas de alto rendimiento (HPMT, por sus siglas en inglés) para transformar la forma en que diseñamos y procesamos polímeros conjugados porosos ultrananoestructurados (UN_CPPs, acrónimo en inglés de Conjugated Porous Polymers) como excelentes fotocatalizadores avanzados.
Un salto tecnológico en la síntesis de polímeros conjugados porosos ultrananoestructurados (UN_CPPs)
La investigación ha revelado que el uso de HPMT permite obtener polímeros conjugados porosos ultrananoestructurados con propiedades sin precedentes frente a los obtenidos mediante las tradicionales técnicas de miniemulsión. Gracias a esta metodología, se han conseguido nanopartículas mucho más pequeñas (≈20–25 nm), altamente homogéneas y con una dispersión de tamaño extremadamente baja.
Estas mejoras no son solo morfológicas: el nuevo proceso proporciona dispersiones coloidales de estos materiales que son más estables, versátiles y procesables. A diferencia de las dispersiones de CPPs convencionales, los sintetizados mediante HPMT permanecen estables durante más de dos meses sin agregarse y permiten la fabricación de películas delgadas de alta calidad por spin-coating, fundamentales para su caracterización fotoelectroquímica y su uso en dispositivos fotoelectroquímicos.
Más superficie, más eficiencia
Otro de los grandes hitos de este trabajo es el aumento drástico del área superficial de los CPPs. En particular, se analizaron los polímeros UN_CPPs basados en colorantes BODIPY y BOPHY (denominados UN_CMPBDP y UN_IEP-7, respectivamente), comparando sus propiedades en función de las distintas técnicas de síntesis empleadas: bulk, miniemulsión y ultraminiemulsión mediante HPMT, con el fin de evaluar cómo cada metodología influye en su morfología y rendimiento fotocatalítico.1 En el caso del UN_IEP-7, el área BET pasó de apenas 56 m2/g en su versión en bulk a 280 m2/g tras su ultrananoestructuración. Este incremento se traduce directamente en más superfie externa activa disponible para las reacciones fotocatalíticas.
La verdadera revolución llega al combinar estos polímeros con semiconductores inorgánicos como el TiO2, dando lugar a materiales híbridos con una eficiencia fotocatalítica espectacular. El fotocatalizador UN_IEP-7@T-10, con solo un 10 % de polímero, alcanzó una tasa de evolución de hidrógeno de 3,10 mmol g-1 h-1 (ƺ = 1,13 %), lo que supone: 3 veces más que su equivalente no nanoestructurado, 2 veces más que el sintetizado por miniemulsión convencional, y ¡39 veces más que el TiO2 puro!
Y todo ello, sin alterar la estructura química ni el mecanismo de transferencia de carga del material, lo que demuestra la robustez del proceso y su enorme potencial para la producción sostenible de hidrógeno.
De los colorantes BODIPY/BOPHY a los nuevos polímeros basados en Fenazina
El éxito de la metodología HPMT no se detiene ahí. A partir de esta misma estrategia, se ha desarrollado un nuevo polímero conjugado poroso ultrananoestructurado basado en fenazina (UN_IEP-27), con resultados que superan incluso los anteriores. Este material introduce una unidad redox activa que puede alternar de forma reversible entre fenazina y dihidrofenazina, mejorando drásticamente la actividad fotocatalítica del sistema.2
El híbrido UN_IEP-27@T10 logra tasas de evolución de hidrógeno de 4,1 mmol g-1 h-1 (ƺ = 1,52 %) en laboratorio y 0,11 mmol g-1 h-1 (ƺ = 0,58 %) en condiciones reales de planta piloto solar. Tras optimizar las condiciones en atmósfera inerte y pasar a su especie reducida (dihidrofenacina), la producción se eleva hasta 4,8 mmol g-1 h-1 (ƺ = 1,76 %) en laboratorio y 0,34 mmol g-1 h-1 (ƺ = 1,81 %) a escala piloto, llegando a obtener sin ninguna duda, unas de las producciones más altas reportadas hasta el momento.
Hacia un futuro energético más limpio
Los resultados obtenidos consolidan el potencial de la ultrananoestructuración y las técnicas microfluídicas de alto rendimiento como estrategias decisivas en el desarrollo de nuevos materiales fotocatalíticos de alto rendimiento. Su aplicación permite optimizar los procesos de conversión solar y avanzar hacia la producción escalable de hidrógeno verde, sentando las bases de una energía más eficiente y sostenible.
Como resultado de este trabajo, se ha registrado una patente3 y se han publicado dos artículos científicos de alto impacto en la revista Advanced Functional Materials,1,2 consolidando la relevancia internacional de esta línea de investigación y su potencial para transformar el futuro de la energía limpia.
Referencias bibliográficas:
(1) Palenzuela-Rebella, S.; Naranjo, T.; Gomez-Mendoza, M.; Barawi, M.; Liras, M.; de la Peña O´Shea, V. A. High-Performance Microfluidic Techniques toward Nanostructuration of BODIPY and BOPHY Based CPPs Hybrid Photocatalyst for Hydrogen Production. Adv. Funct. Mater. 2024, 34 (40), 2403778. https://doi.org/https://doi.org/10.1002/adfm.202403778.
(2) Palenzuela-Rebella, S.; Naranjo, T.; Gomez-Mendoza, M.; Barawi, M.; Alván, D.; Marcilla, R.; Liras, M.; de la Peña O´Shea, V. A. Ultra-Nanostructured Phenazine Conjugated Porous Polymers as Efficient Photocatalyst for Solar-Driven Hydrogen Production. Adv. Funct. Mater. 2025, e09175. https://doi.org/https://doi.org/10.1002/adfm.202509175.
(3) Liras, M.; Naranjo, T.; Palenzuela-Rebella, S.; Barawi, M.; de la Peña O’Shea, V. A. Method for Preparing Conjugated Porous Polymers and Uses Thereof. European Patent number EP4293078 A1.
Contactos:
- Victor A. de la Peña O´Shea, Unidad de Procesos Fotoactivados, IMDEA Energía: victor.delapenya@imdea.org
- Marta Liras, Unidad de Procesos Fotoactivados, IMDEA Energía: marta.liras@imdea.org
