El hidrógeno es un elemento increíblemente abundante en el universo. Y, aun así, nos cuesta obtenerlo para usarlo a nuestro antojo. Si pudiéramos hacerlo obtendríamos una cantidad ilimitada de energía, un mundo mucho más limpio y más recursos para todos. Sobre obtener hidrógeno de forma barata y limpia versa el reciente trabajo publicado en la prestigiosa revista Nature Chemistry, en el que investigadores del Instituto Catalán de Investigación Química (ICIQ) y la Universitat Rovira i Virgili (URV) han conseguido "romper" el agua para obtener hidrógeno de una manera mucho más eficiente y asequible. ¿Qué supone esto?
¿Por qué es importante el hidrógeno?
Hemos hablado con el profesor José Ramón Galán Mascarós, quien lidera el grupo de Marta Blasco-Ahicart y Joaquín Soriano, principales autores del descubrimiento, para que nos ayude a comprender sus implicaciones. "El hidrógeno se considera un combustible renovable y respetuoso con el medio ambiente", nos explica el químico, "ya que su combustión sólo produce agua. Sin embargo, debemos preguntarnos cómo se obtiene el hidrógeno, ya que como tal no existe en la Tierra. En estos momentos, el 96% del hidrógeno que se consume a nivel global se obtiene a partir del metano, un combustible fósil".
Su procedencia fósil, así como los resultados de su obtención, siguen siendo perniciosos para el medio ambiente. "Este proceso igualmente produce dióxido de carbono y otras sustancias indeseables", confirma el profesor. A pesar de ello, el futuro de la energía que necesitamos para existir pasa por un cambio profundo en nuestra economía energética. Uno de los puntos a revolucionar dicha economía es la disponibilidad del hidrógeno. Este elemento genera una reacción muy energética, sin producir otros contaminantes.
Su almacenamiento, rendimiento energético, inocuidad y muchas otras razones hacen que esta sustancia prometa un mundo más limpio en el futuro. Actualmente ya existen algunos ejemplos de cómo la aplicación del hidrógeno en los vehículos puede ser segura, rentable y factible. Otras aplicaciones interesantes son la creación de plantas de hidrógeno, que generen energía a partir de este elemento. Sin embargo, todavía existen numerosos problemas para poder convertir la economía del hidrógeno en una realidad.
Entre ellos están la obtención del elemento. Por ahora, concentrar hidrógeno para su uso industrial es caro y poco eficiente. Se requieren de catalizadores hechos con metales como el iridio, que es carísimo, y se obtiene, como explicaba Galán, del tratamiento de combustibles fósiles; cuya extracción y combustión supone, en sí mismo, un perjuicio. Pero aquí es donde entra su descubrimiento.
Hacer H2 más barato y más limpio
Si pudiéramos obtener hidrógeno de una forma más barata y sencilla, probablemente impulsaríamos la investigación y superaríamos muchas de las barreras que nos impiden usarlo de forma común. "La obtención de hidrógeno a partir de la electrólisis del agua, la alternativa limpia, no ha conseguido desplazar a la producción industrial contaminante [a partir de combustibles fósiles] después de varias décadas de estar disponible. La razón principal es el precio. Mientras que el hidrógeno contaminante tiene un coste de uno o dos dólares por kilogramo, el coste de hidrógeno limpio electrolítico es de siete u ocho dólares por kilogramo. Si no conseguimos disminuir el coste del hidrógeno limpio, será muy difícil llevar a cabo un cambio estructural en la sociedad".
¿Y cómo podríamos hacerlo? "Uno de los componentes que encarece el hidrógeno electrolítico es, sin duda, la necesidad de utilizar catalizadores de metales nobles como el iridio", confirma el investigador. "Tan sólo los catalizadores pueden representar hasta un veinte por ciento del coste total". Sin embargo, el catalizador que ha diseñado su equipo es capaz de hacer justo esto: "Nuestro catalizador es un polioxometalato que está hecho principalmente de cobalto y wolframio. El primero es responsable de la actividad química, mientras que el segundo confiere al sistema la estabilidad necesaria para llevar a cabo el proceso. Durante este, el polioxometalato arranca electrones y protones a dos moléculas de agua para formar un enlace químico entre sus átomos de oxígeno y liberarlo en gas. A su vez, los protones y electrones se combinan en el otro electrodo para producir hidrógeno".
Con este catalizador, el equipo ha demostrado por primera vez que materiales baratos pueden sustituir al óxido de iridio sin perder actividad y eficiencia. Tanto el cobalto como el wolframio son materiales relativamente abundantes en la Tierra, y su obtención es muchísimo más barata que la del iridio. ¿Y qué hay de su efectividad? "Nuestros datos indican que es posible, incluso, mejorar las prestaciones de los metales nobles [como el iridio]". Estos son buenas noticias para el hidrógeno. "Si somos capaces de mejorar la producción y, además, abaratar los costes, creo que podemos ser optimistas ante el futuro desarrollo de equipos de producción de hidrógeno basados en nuestros descubrimientos". Una producción que podría traducirse en grandes cantidades de hidrógeno barato y limpio.
Más fácil y mejor
Otro de los puntos fundamentales, explica el experto, es el bajo voltaje al que trabaja la reacción. "Efectivamente, nuestros materiales son capaces de aprovechar mejor la energía. Tanto más eficiente es un catalizador cuanto menor es el voltaje de trabajo, y más próximo al voltaje termodinámico", nos confirma. "Lo que hemos observado es que nuestro catalizador puede alcanzar corrientes significativas a potenciales sensiblemente más bajos, con el consiguiente ahorro energético".
Con estas palabras, Galán nos está explicando que la reacción tiene lugar de manera sencilla, sin grandes necesidades energéticas, lo que facilita enormemente la reacción. También se ha topado con resultados especialmente prometedores en otro sentido: "La segunda conclusión de nuestro estudio es incluso más general que el descubrimiento de un nuevo catalizador para este proceso". El experto nos habla de un material hidrofóbico que podría ayudar no solo a esta reacción.
"Hemos observado que la incorporación de un medio parcialmente hidrofóbico [que repele el agua] mejora la estabilidad de materiales que se suponían inestables en medio ácido. Incluso óxidos de cobalto o mixtos de níquel y hierro funcionan mucho mejor de lo esperado en estas condiciones". Estos otros elementos también actuarían como catalizadores en otras reacciones. "Nuestros polioxometalatos siguen siendo superiores como catalizadores, pero no es descartable que nuestra estrategia permita en el futuro el desarrollo de otros catalizadores, aprovechando nuestra estrategia".
En definitiva, este es sólo el primer paso de un futuro potencialmente muy prometedor. La aplicación de este descubrimiento podría ayudar a cambiar radicalmente la forma que tenemos de entender nuestra economía energética, abriendo la puerta a un hidrógeno más barato y limpio. Y también al desarrollo tecnológico que esto supone. Pero no sólo para el hidrógeno, como vemos, ya que la tecnología bien aplicada podría ser, además, la pieza que faltaba para abaratar otras reacciones igual o más interesantes.
