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Un dispositivo fotoelectroquímico consigue un rendimiento del 10% en energía almacenada al extraer hidrógeno del agua con ayuda de la luz.

La idea de la “fotosíntesis artificial” parece simple: usar la luz del sol para descomponer el agua y así almacenar la energía obtenida. Si es en forma de hidrógeno entonces se puede quemar de manera convencional para producir calor o en una pila de combustible para obtener energía. Con algo así nos ahorraríamos las caras baterías necesarias para almacenar la electricidad y bastaría con un depósito de gas. Esta solución sería válida para viviendas unifamiliares o para centrales solares. También podría servir para sintetizar combustibles basados en hidrocarburos usando además dióxido de carbono.
Lo malo es que, hasta ahora, la fotosíntesis artificial peca del mismo inconveniente que la natural: su bajo rendimiento. En la natural este es del 1%-2% y la artificial no iba mucho más allá.
Ahora científicos del Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) han conseguido una marca mundial de rendimiento del 10% en energía almacenada con un sistema completo, eficiente, seguro e integrado. Esto por si sólo ya está en los umbrales de la rentabilidad económica.
El nuevo sistema consta de tres componentes principales: un fotoanodo, un fotocatodo y una membrana. El fotocatodo se usa para oxidar moléculas de agua gracias a la luz del sol, lo que genera protones, electrones y oxígeno gaseoso. El fotocatodo recombina los protones y electrones para formar gas de hidrógeno.
La clave está en la membrana de plástico, que deja pasar el hidrógeno, pero no el oxígeno. Si ambos gases se juntan accidentalmente pueden provocar una explosión al darse una combustión en presencia de una chispa. La membrana permite separarlos de manera segura y recolectarlos.
En las células fotovoltaicas convencionales se usan semiconductores como el silicio o el arseniuro de galio, pero estos productos no pueden exponerse al agua porque se corroen y pierden sus propiedades. Por eso, en el caso de la fotosíntesis artificial, se tiene que recurrir a su protección. En este caso se usa el dióxido de titanio (TiO₂) en forma de una capa de 62,5 nm de grosor que recubre el fotocatodo de arseniuro de galio.
Además, se usa un catalizador que facilite la descomposición del agua. En otros tiempos se empleaba platino u otro tipo de metales raros y caros. En este caso se usa una capa de níquel de 2 nm sobre la capa de dióxido de titanio.
El fotoanodo se hace crecer sobre el fotocatodo y además contiene una capa de niquel-molibdeno que actúa de catalizador.
Todo el sistema está integrado y sirve como sistema completo de fotoelectrolisis del agua y es seguro gracias a la membrana. El prototipo de demostración, de un centímetro cuadrado, alcanzó un rendimiento del 10% en energía almacenada y operó de manera continua durante más de 40 horas.
Ahora trabajan en cómo prolongar la vida útil del dispositivo, pero el logro promete que la producción de combustible mediante energía solar sea factible pronto.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Foto: Lance Hayashida/Caltech.