Un equipo de investigación del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla, la Plataforma Solar de Almería (CIEMAT) y la Universidad Autónoma de Barcelona ha confirmado en una planta piloto que la combinación de óxidos de titanio y cobre amplía hasta un 10% la producción de hidrógeno verde  en comparación con otros sistemas. Los ensayos abren una nueva vía para mejorar el rendimiento de la industria energética. 

Para que aumente la eficiencia en la obtención de hidrógeno en plantas solares, los investigadores trabajan con el objetivo de optimizar las características de todos los protagonistas que entran en juego: desde el diseño de los espejos orientados al sol, el material del que están hechos los tubos, el uso de alcoholes que utilizan junto al agua o el tipo de catalizadores que se utilicen. Estos últimos son compuestos que aceleran las reacciones químicas que se producen durante el proceso. Cuando estos materiales catalíticos se activan con energía solar el procedimiento se llama fotocatálisis.

El investigador del CSIC Gerardo Colón, coautor del artículo.

Los materiales fotocatalíticos no han logrado hasta el momento unos resultados de eficiencia suficiente para la producción a nivel industrial de hidrógeno verde. Sin embargo, los expertos proponen una nueva opción en el artículo ‘CuO–TiO2 pilot-plant system performance for solar photocatalytic hydrogen production’, publicado en la revista International Journal of Hydrogen Energy, con la que han mejorado el proceso en la planta piloto del CIEMAT, usando una mezcla combinada de dióxido de titanio y óxido de cobre como catalizadores.

El dióxido de titanio (TiO2) es el más usado por su estabilidad química, abundancia, bajo impacto ambiental y por ser capaz de captar la luz ultravioleta. “Nosotros hemos incluido un metal de transición que funciona como cocatalizador y mejora la respuesta en la captación de electrones y su eficiencia, además de ser un material más accesible y económico”, indica a la Fundación Descubre el investigador del CSIC Gerardo Colón, coautor del artículo. 

La novedad que plantean se basa en el precalentamiento de la mezcla de estos compuestos antes de agregarlos, con lo que obtienen una mejora en sus propiedades para la conversión de la luz solar y agua en hidrógeno. 

El sol en acción y reacción

El agua está compuesta de una molécula de oxígeno y dos de hidrógeno. En los fotorreactores, la luz solar incide sobre ella y la divide liberando el oxígeno a la atmósfera y obteniendo hidrógeno molecular, una de las fuentes de energía sostenible más demandada en la actualidad por su mínimo impacto medioambiental y sus amplias posibilidades de obtención.

Los expertos han confirmado que la combinación de óxidos de titanio y cobre amplía hasta un 10% la producción de hidrógeno verde.

Así, estos fotorreactores utilizan espejos para concentrar la luz del sol en un punto concreto. Bajo estos colectores cilíndrico-parabólicos, como se denominan a estos paneles, circulan una serie de tubos con agua y otro compuesto, normalmente alcohol.. Mediante una reacción se reduce la molécula de agua y produce H2.

El viejo oeste y la ‘fiebre del sol’

Concretamente, los experimentos se realizaron en la Plataforma Solar de Almería (PSA), perteneciente al Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), en el desierto de Tabernas. La planta piloto consiste en un tanque acoplado a un fotorreactor. Las tuberías tienen una capacidad para 25 litros por las que circulan el agua y el alcohol, que en este caso fue glicerol, obtenido como subproducto de otros procesos industriales. Una vez que se produce la reacción química que reduce las moléculas de agua por la acción de la energía solar, se obtiene hidrógeno y dióxido de carbono.

Incluyeron la comparativa sobre la producción de hidrógeno atendiendo a la incorporación de la mezcla con una proporción del 2 y el 7% de óxido de cobre, con un precalentamiento a 200 y 400 grados centígrados, durante un tiempo entre 1 y 6 horas. Posteriormente, se evaluó cuánto hidrógeno se obtenía bajo dos condiciones meteorológicas diferentes, parcialmente nublado o soleado. Los resultados concluyeron con valores de hasta un 10% más de producción de hidrógeno con un 7% de cobre a 200 grados centígrados y 3 horas de exposición, sin cambios significativos con la diferencia de radiación.

Una vez que se produce la reacción química que reduce las moléculas de agua por la acción de la energía solar, se obtiene hidrógeno y dióxido de carbono.

Sin embargo, se ha podido observar que el cobre se va disolviendo durante el proceso, lo que dificulta las reacciones prolongadas y supone un inconveniente para aplicarlo a gran escala.

Estos estudios permitirán seguir avanzando en la determinación de los valores necesarios para aumentar la producción, aunque son muchos los factores que intervienen en la optimización de la planta y sobre la que se debe seguir investigando, según refiere el experto. Así plantean analizar otras opciones utilizando mezclas de fotocatalizadores que ya se comercializan y resultan más fáciles de aplicar para valorar los resultados. Asimismo, estudiarán el uso de otros alcoholes obtenidos de residuos, como el bioetanol.

Los trabajos se han financiado mediante los proyectos ‘Diseño de fotocatalizadores altamente eficientes mediante control de la nanoescala para la producción de H2 NanoLight2H2’ de la Consejería de Universidad, Innovación e Investigación de la Junta de Andalucía y ‘Catálisis Solar para un futuro de energía renovable SOL-Future (SOL-Future)’ del Ministerio de Ciencia, innovación y Universidades, la Agencia Estatal de Investigación  y la Unión Europea ‘Next Generation EU’.

Reportaje sobre esta nota de prensa: Titanio y cobre: duelo al sol para producir hidrógeno

Referencias

J.G. Villachica-Llamosas, A. Ruiz-Aguirre, G. Colón, J. Peral y S. Malato. ‘CuO–TiO2 pilot-plant system performance for solar photocatalytic hydrogen production’. International Journal of Hydrogen Energy. 2024

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