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Molécula Solar: Una alternativa limpia al combustible de los vehículos a gas.

Alvaro José 
Quispe Arancibia
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Estudiante de Ingeniería Ambiental

19 mayo 2020

Un grupo de científicos norteamericanos han elaborado por primera vez una molécula capaz de absorber la energía solar con gran rendimiento, además de actuar como un catalizador para transformar esta energía en hidrógeno, una alternativa limpia al combustible en contraste con los utilizados actualmente. El estudio fue publicado en la revista Natural Chemistry y el equipo de investigación fue dirigido por Claudia Turro, profesora de química y directora del Centro de Dinámica Química y Biofísica (CCBD) de la Universidad Estatal de Ohio (OSU).

La nueva molécula recolecta energía de todo el espectro de luz solar y puede aprovechar un 50% más de energía que las celdas fotovoltaicas actuales. "La idea es que podemos usar fotones del sol y transformarlos en hidrógeno. En pocas palabras, estamos ahorrando la energía de la luz solar y almacenándola en enlaces químicos para que pueda usarse más adelante", dijo Turro en un comunicado de la OSU.

Los fotones son partículas elementales de la luz solar que contienen energía. Según el postulado de Einstein, quien desde 1905 insistió la existencia de estas partículas luminosas, aunque sin masa, presentes en la naturaleza corpuscular de la luz.

Los investigadores elaboraron un compuesto cromóforo basado en el compuesto 2,2-bipiridina. Con estos elementos se obtuvo una molécula en función a 2 átomos de rodio, obteniendo una difícil de oxidar y capaz de adaptarse al sistema de recolección de energía del infrarrojo al ultravioleta. El resultado no tenía precedentes: la molécula era con diferencia más eficiente con la luz del infrarrojo cercano que los sistemas de moléculas únicas que solo funcionaban con fotones ultravioleta. Los estudios demostraron que es posible captar la energía de todo el espectro visible de la luz solar, incluyendo el infrarrojo de baja energía, fragmento del espectro electromagnético muy complicado de recolectar.

Figura 1. Estructura del catalizador activo 

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Fuente: T.J. Whittemore, et. al. (2020)

La molécula tiene doble comportamiento: fotosensibilizador y catalizador. La parte fotosensible es la que recibe los electrones provenientes de los fotones de luz, mientras que la parte catalizadora se encarga de transformar esta energía en combustible mediante la generación de gas hidrógeno gracias al almacenamiento de electrones. Posteriormente reacciona con oxígeno para la liberación de vapor de agua y energía.

La molécula fue dispuesta en una solución ácida, reduciéndola químicamente. La mejora de la corriente catalítica se puede apreciar con la adición de varios ácidos, que incluyen triflato de dimetilfor-midinio ([DMFH] [OTf]), ácido p-toluenosulfónico (TsOH), ácido trifluoroacético y en ácido acético. Al aprovechar todo el espectro de luz, los investigadores utilizaron luces LED en la solución ácida que contenía la molécula. Cuando lo hicieron, comprobaron que el resultado era la generación electrocatalítica de dihidrógeno en dicha solución.

Figura 2.  Espectro de absorción de la molécula

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Fuente: T.J. Whittemore, et. al. (2020)

Las propiedades físicas y químicas que posee la molécula de hidrógeno la diferencia de las otras fuentes de combustible que hemos ido utilizando. Además, no es un recurso natural, pues no se encuentra de forma aislada en la naturaleza, pero si podemos encontrarlo formando otras moléculas. Esta peculiar característica nos obliga a encontrar formas de obtención eficientes para su constante uso en un futuro, aprovechando sus propiedades para la generación de energía limpia. Según José Linares y Beatriz Moratilla, ambos ingenieros industriales en la Escuela Técnica Superior de Energía (ICAI), existen 3 razones sustanciales publicadas en el capítulo 2: El Hidrógeno y La Energía de la colección Avances de Ingeniería, por la cual se pretende confluir en una “Economía del hidrógeno”: 

·         Eficiencia energética. La energía química del hidrógeno puede ser convertida de forma directa en energía eléctrica, sin el paso intermedio del accionamiento térmico de un ciclo de potencia. Esta conversión directa se lleva a cabo en las llamadas pilas de combustible, capaces de convertir por medios electroquímicos la energía química del hidrógeno en energía eléctrica. La energía eléctrica producida puede emplearse tanto con fines estacionarios como con fines de transporte, mediante su uso en vehículos eléctricos. (Linares y Moratilla, 2006)           

·         Dependencia energética. En la actualidad hay una fuerte dependencia de los combustibles fósiles, de los que quedan cantidades finitas. Así, las reservas de petróleo se estiman en 40 años, las de gas natural en 60 y las de carbón en 200. Esta limitación de reservas va unida en muchas ocasiones a una elevada concentración de los yacimientos (muy elevada en el caso del petróleo, menor en el del gas natural y reducida en el caso del carbón), lo que facilita presiones políticas por parte de los países productores. Estas dos circunstancias obligan a volver la vista hacia otras fuentes energéticas: renovables y nuclear. Si bien el hidrógeno no es una fuente energética sí facilita el transporte y almacenamiento de ellas, y puede ser producido a partir de fuentes renovables y nucleares, por lo que puede jugar un papel importante en cuanto a la reducción de la dependencia energética, que también se ve favorecida por el elevado rendimiento en la conversión. (Linares y Moratilla, 2006)

 

·         Razones medioambientales. Aunque de manera indirecta las razones anteriores repercuten de manera favorable en el medio ambiente, existe una ventaja adicional para el uso con fines energéticos del hidrógeno: su combustión sólo libera vapor de agua, libre de CO2. Esto supone que si en el proceso de producción no se ha emitido CO2 (habiendo varias alternativas para ello), la producción de electricidad a partir de hidrógeno está libre de emisiones de CO2, al igual que la electricidad producida por vía renovable y nuclear. Sin embargo, la ventaja de producir hidrógeno a partir de energía renovable es que permite regularizar la frecuente aleatoriedad de la producción eléctrica con renovables, pudiendo además destinar la energía eléctrica a aplicaciones de transporte y portátiles, siendo las primeras un importante contribuyente a las emisiones de CO2. (Linares y Moratilla, 2006)

 

A pesar de las virtudes que podemos encontrar en el hidrógeno como fuente de energía, el rodio sigue siendo un elemento químicamente poco abundante. Aun así, gracias a este hallazgo se pierde menos energía y es 25 veces más eficiente que las moléculas previas que sólo aprovechaban luz ultravioleta. Pero no deja de ser una proyección de lo que puede llegar a ser el combustible en un futuro, ya que este hallazgo de momento no posee la capacidad de sustituir a los combustibles fósiles. Antes de que este descubrimiento se aplique al mundo real, todavía queda mucho trabajo por hacer. El rodio no deja de ser un metal raro y los medios para conseguir catalizadores de este son costosos, es por ello que se investiga para la obtención de catalizadores con materiales que no requieran tantos fondos y los investigadores aún están trabajando para mejorar la eficiencia en la producción de hidrógeno con el fin de que la molécula sea capaz de producirla en un período más prolongado.

Si bien existen inconvenientes para trasladar este conocimiento a la práctica, el camino ya está establecido. Este avance no solo permite crear nuevas alternativas de combustible en reemplazo a los combustibles fósiles, también involucra el hecho de apostar por estas opciones priorizando el cuidado del medio ambiente. Esta es una alternativa que asocia al ser humano con la naturaleza. “Y tenemos que tener energía renovable. Imagina que pudiéramos usar la luz solar para generar energía en lugar de carbón, gas o petróleo”, expresa Turro. Podríamos abordar de otra manera el cambio climático.

Referencias:

  • Linares J. y Moratilla B. (2007) El Hidrógeno y la Energía. Asociación Nacional de Ingenieros del ICAI, Madrid. 

  • Whittemore, T.J., Xue, C., Huang, J. et al. (2020) Single-chromophore single-molecule photocatalyst for the production of dihydrogen using low-energy light. Nat. Chem. 12, 180–185.

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