La transición energética global exige alternativas eficientes y sostenibles para producir hidrógeno verde, sin depender de la electrólisis convencional, que requiere el uso de mucha energía, entre otras variables, o de la termólisis requiere temperaturas superiores a los 3 000 K (2726,85 °C), y del hallazgo de materiales capaces de repetir el proceso obtención sin degradarse.
En este contexto, un equipo multidisciplinario de investigadores miembros de instituciones académicas y científicas de Madrid ha logrado un hito crucial: el desarrollo y caracterización de una perovskita altamente estable capaz de participar en la termólisis o división catalítica de la molécula de agua a unos 800 °C, temperatura que se alcanza utilizando energía solar, manteniendo intacta su estructura cristalina tras 30 ciclos consecutivos de reacción.
¿Por qué es importante este avance? El hidrógeno se considera un vector energético de interés porque además de almacenar energía procedente de fuentes renovables, puede usarse como combustible para sectores difíciles de electrificar: la industria pesada, el transporte y la generación de electricidad, entre otros. Sin embargo, su producción sostenible continúa enfrentando obstáculos relacionados con el consumo eléctrico, el costo de los electrolizadores, la necesidad de utilizar materiales especializados o temperaturas difíciles de alcanzar y mantener.
La investigación fue publicada en la revista científica Small Structures bajo el título Green Hydrogen Production via Water Splitting Using SrFe₀.₉Mo₀.₁O₃−δ Perovskite. En el estudio participaron investigadores vinculados con la Universidad Autónoma de Madrid, la Universidad Complutense de Madrid, la Universidad San Pablo-CEU, CUNEF Universidad, IMDEA Nanociencia y el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).
Frente a vías más extremas como la termólisis directa, que requiere superar los 3000°C, su funcionamiento isotérmico a 800°C y su alta estabilidad convierten a este material en un excelente candidato para tecnologías de división de agua impulsadas por calor renovable.
La clave de la fórmula de la nueva perovskita
Las perovskitas son óxidos que tienen una estructura muy particular y con una flexibilidad química que permite ajustar propiedades e influir de forma directa en cómo interactúan con moléculas como el agua.
En el caso de esta investigación, la perovskita formada por estroncio, hierro, molibdeno y oxígeno (SFMO) que, al calentarla a 800 °C en aire, pierde parte de su oxígeno y genera vacantes de oxígeno en su estructura cristalina. Luego cuando es expuesta a vapor de agua, a la misma temperatura de 800 °C, rompe las moléculas de agua, liberando hidrógeno y oxígeno. Un comportamiento que se repite de forma reproducible incluso tras 30 ciclos consecutivos, sin señales de degradación apreciable, lo que la hace clave para cualquier aplicación tecnológica.
Uno de los aspectos más destacables de la perovskita SFMO (SrFe₀.₉Mo₀.₁O₃−δ) es su robustez estructural. Durante los experimentos realizados bajo condiciones reales de operación – mediante difracción de rayos X con radiación de sincrotrón, se evidenció que este material se expande ligeramente a causa de la producción de hidrógeno al interactuar con el agua y vuelve a su estado inicial al cortar el flujo. Este comportamiento se repite incluso tras 30 ciclos consecutivos, sin señales de degradación apreciable, requisito clave para cualquier aplicación tecnológica.
La perovskita madrileña abre una posible ruta para producir hidrógeno mediante calor solar concentrado. Espejos o heliostatos podrían concentrar la radiación solar y suministrar la temperatura necesaria al reactor, evitando que toda la energía pase primero por una conversión eléctrica. En principio, esto permitiría aprovechar directamente la energía térmica del Sol.
Prueba con agua pesada para comprobar origen del hidrógeno verde
Para confirmar con absoluta precisión que el hidrógeno provenía del agua utilizada durante el procedimiento y no de impurezas residuales o descomposición del propio reactor, los científicos repitieron los ensayos sustituyendo el agua convencional por agua pesada (D₂O), y técnicas de vacío ultraalto con espectrometría de masas. La detección inequívoca de deuterio en la fase gaseosa confirmó que el hidrógeno liberado procedía de las moléculas de agua suministradas durante el proceso.
La verdadera sorpresa para la ciencia provino del comportamiento del material: a diferencia de las perovskitas tradicionales que funcionan mediante ciclos de oxidación–reducción (redox) recuperando el oxígeno al entrar en contacto con el vapor, el nuevo compuesto libera oxígeno al calentarse pero no lo reincorpora. En su lugar, este nuevo material experimenta una expansión y contracción reversible de su red cristalina al interactuar con el agua, sin alterar los estados de oxidación de sus componentes metálicos.
Aún quedan desafíos antes de su aplicación industrial
El hallazgo abre un camino prometedor para la producción de combustibles limpios, los autores recuerdan que “aún quedan importantes desafíos antes de una aplicación industrial de este material. Será necesario comprender con mayor detalle el mecanismo de reacción, optimizarlo y evaluar cómo escalar el proceso a reactores de mayor tamaño.
No obstante, los resultados muestran que materiales como la perovskita SFMO podrían abrir nuevas vías para producir hidrógeno verde de forma más eficiente y sostenible pues “produce hidrógeno a 800 °C, una temperatura muy inferior a la requerida por la termólisis convencional; funciona de forma isotérmica, sin necesidad de ciclos de calentamiento y enfriamiento, y mantiene su estructura cristalina tras largos periodos de tiempo, lo que demuestra una elevada estabilidad. Además, su funcionamiento es compatible con sistemas de concentración solar capaces de aportar el calor necesario utilizando energía renovable”.
Con información de Small Structures, The Coversation, Scientias, OK Diario y Gizmodo
Fotos de Gizmodo, OK Diario, The Coversation, Scientias e Hidrógeno Verde
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