Los científicos demuestran que la producción de hidrógeno verde es posible con estos elementos y podría cambiarlo todo
La investigación ha contado con la participación de diversas universidades e institutos de investigación chinos
Un grupo de investigadores de la Universidad de Jyväskylä en Finlandia ha liderado una colaboración internacional para estudiar cómo los materiales semiconductores permiten la producción de hidrógeno verde mediante (foto)electroquímica. La investigación ha revelado los mecanismos básicos que subyacen a la reacción de desprendimiento de hidrógeno en un semiconductor prototípico de dióxido de titanio y respaldan el desarrollo de nuevos materiales para la producción de hidrógeno.
El hidrógeno verde es considerado el combustible del futuro, ya que es universal, ligero y muy reactivo. Se obtiene a través de un proceso químico conocido como electrólisis, el cual, mediante corriente eléctrica, separa el hidrógeno del oxígeno que hay en el agua. Lo que hace que este hidrógeno sea considerado verde (ya que no todo el hidrógeno lo es) es que la electricidad utilizada para realizar la electrólisis proviene exclusivamente de fuentes renovables, como la energía solar o la eólica.
La investigación también identificó un fenómeno previamente desconocido en electrocatálisis: la aplicación de un potencial de electrodo puede crear centros de carga locales, denominados polarones, que activan la reacción de desprendimiento de hidrógeno en la superficie del semiconductor. La electrocatálisis y la fotoelectrocatalisis desempeñan un papel fundamental en la conversión de energía limpia y en numerosos procesos y tecnologías sostenibles.
Un nuevo enfoque computacional para estudiar la electroquímica de los semiconductores
Los catalizadores más eficaces disponibles actualmente se basan en metales nobles, en particular el platino. El elevado precio y la disponibilidad limitada de estos materiales ralentizan la expansión de la producción de hidrógeno y aumentan los costes. Por lo tanto, el desarrollo de nuevos metales catalizadores menos costosos pero igualmente eficaces es crucial para lograr una producción de hidrógeno rentable y a gran escala. En este contexto, los materiales semiconductores constituyen una alternativa posible, aunque relativamente poco explorada, para la generación de hidrógeno.
"A diferencia de los catalizadores tradicionales a base de metales, los materiales semiconductores pueden utilizar elementos más comunes y menos costosos. Sin embargo, el desarrollo de electrodos semiconductores se ha visto ralentizado por el hecho de que sus propiedades electroquímicas y catalíticas no se comprenden bien", explicaron la profesora Karoliina Honkala y el profesor titular e investigador de la Academia, Marko Melander, de la Universidad de Jyväskylä, quienes dirigieron la investigación.
La electroquímica de semiconductores se ha estudiado con menos profundidad que la electroquímica de metales, principalmente debido a las limitaciones de los métodos de investigación disponibles. Melander y Honkala han superado las limitaciones previas mediante el desarrollo de un nuevo enfoque: la teoría funcional de la densidad con potencial interno constante, que permite incluir el potencial del electrodo en la simulación de la electroquímica de semiconductores.
"Desarrollamos este método hace dos años y abre nuevas posibilidades para el modelado de electrodos semiconductores. En el presente estudio, lo aplicamos al estudio de la reacción de evolución de hidrógeno en un electrodo semiconductor de TiO₂. Nuestras simulaciones mostraron cómo y por qué la modificación del potencial del electrodo permite la producción de hidrógeno en el TiO₂", dijo Melander.
La investigación ha sido publicada en la revista Nature Communications. Además de la Universidad de Jyväskylä, participaron en el estudio varios investigadores de diversas universidades e institutos de investigación chinos. Contó con el apoyo del Consejo de Investigación de Finlandia, la Fundación Jane y Aatos Erkko y la Fundación de Movilidad de Finlandia Central (Cefmof).