El futuro será de las energías alternativas el día en que puedan sustituir de forma eficaz a los combustibles fósiles en el transporte. Seamos realistas, los coches eléctricos son un avance, pero no es concebible a corto plazo un camión de alto tonelaje funcionando continuamente en base eléctrica. Por no mencionar trenes de mercancías en territorios sin electrificar, buques de carga o pasajeros o aviones comerciales.
La solución a las demandas del transporte pasa por los combustibles solares. Se llama así a aquellos combustibles que emplean solo luz del Sol, agua y dióxido e carbono atmosférico para en su síntesis. Según esta definición la madera es un combustible solar. Pero esa no es una opción: lo es un combustible licuable, como el hidrógeno y los hidrocarburos. En todos los casos se obtienen por un paso previo fundamental: la rotura de la molécula de agua. Algo nada sencillo.
Una molécula de agua, H2O, está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Separar los átomos de hidrógeno del oxígeno es algo que es muy costoso energéticamente hablando, por lo que es necesario emplear catalizadores, unos compuestos capaces de rebajar la energía necesaria hasta niveles donde la acción de la luz solar sea suficiente. Una vez separados los hidrógenos, se pueden unir para formar hidrógeno molecular, H2, o combinarlos con dióxido de carbono, CO2, para obtener hidrocarburos.
Para crear combustibles solares prácticos se ha intentado desarrollar materiales catalizadores de bajo coste y eficientes, conocidos en general como fotoánodos, que son capaces de romper la molécula de agua usando la luz visible como fuente de energía. En las últimas cuatro décadas, se han identificado 16 de estos fotoánodos. A ese ritmo las probabilidades de dar con el catalizador que soluciones uno de nuestros problemas medioambientales más graves, son las mismas que las de encontrar una aguja en un pajar metiendo el brazo en la baja y tentando con la mano. No nulas, pero cercanas.
Por eso es tan interesante el trabajo que un grupo de investigadores del Instituto de Tecnología de California y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (EE.UU.) acaba de publicar. En él presentan un método que les ha permitido identificar 12 fotoánodos en tan solo dos años.
Los procesos anteriores de identificación de materiales se basaban en una comprobación experimental muy tediosa de compuestos químicos concretos para evaluar su potencial para ser usados en aplicaciones específicas. En el nuevo método se combinan estudios computacionales y experimentación en el laboratorio para, en primer lugar, hacer búsquedas inteligentes en bases de datos para encontrar compuestos con potencial de ser fotoánodos, en segundo filtrar los compuestos encontrados en función de las características estructurales y de síntesis de los compuestos y, finalmente, comprobarlos experimentalmente con una metodología de alto rendimiento.
Para poner a punto el método se centraron en los vanadatos, compuestos que contienen solo tres tipos de átomos: vanadio, oxígeno y un tercero. A la evaluación final llegaron 174 compuestos.
Los investigadores encontraron que la naturaleza del tercer elemento afecta de forma dramática a las propiedades del material, lo que les permitió aprender cómo “afinar” esas propiedades para obtener un fotoánodo mejor.
Los métodos y procesos son tan importantes como los propios materiales a la hora de conseguir una aplicación útil. Gracias a este es muy posible que estemos más cerca de un futuro medioambientalmente mejor.
Referencia:
Quimin Yan et al (2017) Solar fuels photoanode materials discovery by integrating high-throughput theory and experiment. PNAS doi: 10.1073/pnas.1619940114
Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance
Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next
