Producción de hidrógeno a partir de materiales cerámicos

Producción de hidrógeno a partir de materiales cerámicos
Por Mariana Dolores en la Academia Mexicana de Ciencias

Desde su descubrimiento en 1776, el hidrógeno se ha ubicado como uno de los vectores energéticos del futuro, ya que por sus características se le considera un combustible limpio que puede aliviar la dependencia energética de los hidrocarburos, por lo que se trabaja en proponer distintas formas para producirlo.

En la actualidad, el hidrógeno se obtiene a partir de procesos como la electrólisis y la gasificación, sin embargo, estos desarrollos requieren a su vez de grandes cantidades de energía y generan contaminantes. Un método alternativo para la producción limpia y sustentable de hidrógeno es a través de la conversión fotocatalítica del agua, en ésta se contempla el uso de materiales cerámicos semiconductores que son activados por luz.

En particular, desde hace 15 años un grupo de investigadores de la Universidad Autónoma de Nuevo León ha estudiado y caracterizado materiales cerámicos, que son sólidos inorgánicos producidos mediante diversos procesos térmicos y se les utiliza como catalizadores en diversos procesos fotocatalíticos, entre ellos la producción de hidrógeno.

“Hemos explorado muchos materiales de distintas familias de elementos químicos de la tabla periódica para tratar de encontrar las características idóneas en un material que nos permita obtener una alta eficiencia en la producción de hidrógeno.

“Los principales materiales con los que estamos trabajando son óxidos semiconductores, principalmente con metales de transición, entre ellos algunos compuestos que están basados en titanio, tungsteno, entre otros, a los cuales les agregamos algún elemento metal-alcalino como sodio o potasio”, explicó el doctor Isaías Juárez Ramírez, investigador y responsable de la Coordinación de Investigación del Departamento de Ecomateriales y Energía de la UANL.

La técnica utilizada por este equipo de especialistas en ingeniería de materiales cerámicos para la producción de hidrógeno se llama fotocatálisis heterogénea y consiste en irradiar con luz visible o ultravioleta un reactor herméticamente cerrado al cual se le coloca previamente agua purificada y el catalizador cerámico, que puede ser en forma de película o polvo.

“Cuando el reactor se coloca frente a una lámpara de luz ultravioleta o un simulador solar y esta fuente de luz se enciende ocurre la reacción de fotocatálisis, es decir, se activa el material semiconductor produciendo el fenómeno del par hueco-electrón, lo que genera la separación del agua en hidrógeno y oxígeno”, explicó Juárez Ramírez, integrante de la Academia Mexicana de Ciencias, quien precisó que son los materiales cerámicos los iniciadores del proceso de fotocatálisis.

El material que se coloca previamente en el agua es un semiconductor que tiene dos bandas, una de valencia y una de conducción. Cuando el material cerámico recibe energía los electrones que están en la banda de valencia comienzan a excitarse porque buscan pasar a la banda de conducción, y dependiendo de la intensidad de esa energía es que esos electrones pueden desplazarse de una manera más rápida o más lenta, el detalle está en que los electrones y los huecos se mueven a la superficie del semiconductor, pero en el camino se pueden volver a recombinar, disminuyendo con ello la actividad del fotocatalizador. Los electrones y huecos que lleguen a la superficie provocarán la reacción de reducción y oxidación del agua en hidrógeno y oxígeno, respectivamente, ese es el mecanismo que opera.

Los resultados que han obtenido los investigadores de la UANL son por demás interesantes, porque entre los distintos materiales que se han reportado a nivel mundial para la producción de hidrógeno, los elaborados en esta universidad estatal han superado los resultados de algunos de esos trabajos. “Hay algunos fotocatalizadores que presentan mejores resultados que otros, pero en muchos de los reportes a nivel mundial utilizan un agente de sacrificio, es decir, recurren a compuestos como pueden ser metanol u otros con plata, algo adicional al agua, además del catalizador cerámico para que se incremente la producción de hidrógeno. Nosotros no solo utilizamos agua, un catalizador y la fuente de luz”.

Aun cuando los científicos utilizan de manera regular la técnica de fotocatálisis heterogénea, recientemente vienen explorando otros métodos como los de fotoelectrocatálisis y fotoelectroquímica para determinar cuánto hidrógeno se está produciendo y calcular cuánta energía se requiere para producirlo.

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