Material de carbono facilita la separación de los átomos del agua

El investigador Rafael Luque recibe un reconocimiento en Changchun este verano.

El hidrógeno es una prometedora fuente de energía, pero su obtención no es sencilla. Y eso que en la naturaleza existe una fuente accesible: el agua. Cada molécula está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Separarlos para aprovechar el hidrógeno es todavía una tarea compleja. En los últimos veinte años, se han ensayado catalizadores con metales como el platino que, en condiciones de laboratorio, han permitido separar los dos componentes, pero es un procedimiento costoso y, en muchas ocasiones, complejo y poco benigno con el medio ambiente. Ahora, la Universidad de Córdoba (UCO) y la Academia China de las Ciencias han logrado el primer material no metálico muy prometedor que puede facilitar la ruptura de las moléculas de agua y ayudar tanto al bolsillo como al medio ambiente.

“Separar los átomos de hidrógeno y de oxígeno siempre fue un sueño científico, aunque por ahora los logros en este campo se han conseguido en su mayoría a escala de laboratorio”, reconoce Rafael Luque, responsable de la investigación. Luque pertenece al equipo de investigación FQM-383 del Departamento de Química Orgánica de la UCO que dirige Antonio Ángel Romero y es profesor visitante de la Academia China de las Ciencias desde 2014. Debido a esta doble faceta, ha sido posible poner en contacto ambas instituciones en proyectos para la obtención de nuevos catalizadores para segregar el hidrógeno del oxígeno en las moléculas del agua.

El material empleado en el experimento es un simple grafito poroso obtenido mediante polimerización/carbonización. En una escala nanométrica (la milmillonésima parte de un metro, el grosor de un cabello humano equivale a unos 80.000 nanómetros) el material se suplementó con oxígeno, nitrógeno y fósforo para facilitar la catálisis. Esta añadidura se denomina en términos científicos dopaje. Posteriormente, el nuevo nanomaterial se colocó sobre una lámina de carbono comercial oxidada y utilizó como electrodo 3D para el proceso de escisión del agua.

En un extremo se situó este electrodo dopado. En el otro, uno inerte. En el proceso electrocatalítico, el material de carbono permite separar el agua (H₂O) en sus elementos, hidrógeno (H₂) y oxígeno (O₂). “El procedimiento es bastante sencillo, los materiales son accesibles y el equipamiento del laboratorio es convencional”, indica Luque, que considera que la obtención del nuevo electrodo abre la puerta a algunas aplicaciones interesantes. Los resultados de este trabajo se han publicado como portada en el número de abril de 2016 de la revistaEnergy & Environmental Science.

Agua dura

Uno de los usos futuros que pueden lograrse de esta investigación está en el tratamiento de aguas para el consumo humano. En todo el arco mediterráneo peninsular ibérico, el agua está considerada como dura. Es así porque en la escala de pH, es ligeramente básica (pH> 7), y está relacionada con la presencia de sales de Ca²⁺ y Mg²⁺. En grifos y electrodomésticos como lavadoras o lavavajillas, suelen darse problemas de acumulación progresiva que puede dar lugar a obstrucciones por formación de depósitos de dichas sales. “Encontramos que el electrodo experimental es más estable que el usado de manera convencional (Pt/C) en aguas duras, lo que puede ayudar en un futuro tratamiento de aguas duras de tipo residual para abastecimiento de diferentes núcleos de población”, indica Luque. En aguas blandas, sin embargo, el electrodo basado en carbono tuvo un comportamiento semejante a los existentes.

No obstante, el aprovechamiento más interesante puede ser energético. La pila de hidrógeno puede suponer una alternativa tanto para los combustibles fósiles como para los sistemas eléctricos empleados, por ejemplo, en vehículos. En un caso, al ser un material no contaminante. En el otro, por proporcionar mayor autonomía. Además, el uso de metales como el platino como electrodos son alternativas caras y poco eficientes desde el punto de vista ambiental. “Si logramos aprovechar el agua residual como materia prima para obtener hidrógeno que abastezca estas baterías, sería un gran avance”, establece el investigador.

En el trabajo colaborativo, el trabajo de desarrollo de la idea e interpretación de los datos corrió a cargo de la Universidad de Córdoba, mientras que la sucursal de química aplicada de la Academia China de las Ciencias en Changchun (norte del país) proporcionó los materiales y los recursos humanos.

Jianping Lai, Supong Li, Fengxia Wu, Muhammad Saqib, Rafael Luque and Guobao Xu. ‘Unprecedented metal-free 3D porous carbonaceous electrodes for full water splitting’. Energy Environ. Sci., 2016,9, 1210-1214, DOI: 10.1039/C5EE02996A