L’aigua podria ser el “petroli” del futur?

La predicció de la demanda d’energia per l’any 2050 està en el rang de 30-50 TW que significa més del 100% d’augment respecte al nivell de 2009. A més a més, donat l’increment de la taxa de CO₂ amb les seves corresponents conseqüències catastròfiques que això pot provocar al nostre planeta, resulta obvi que la nostra societat té una urgent necessitat de fonts d’energia renovables que siguin neutres amb l’ús de l’àtom de carboni. Una energia atractiva i alhora neta per solucionar aquest problema podria ser l’hidrogen molecular (H₂), però mentre l’emmagatzematge i la separació d’hidrogen ja han estat aconseguits amb un cert grau d’èxit, la qüestió d’on podem aconseguir una font d’hidrogen de forma sostenible encara queda per respondre. Fins al moment la principal font d’hidrogen prové de modificar el gas natural que és un fuel sòlid i es genera CO₂ durant aquest procés.

Una altra forma d’obtenir hidrogen és mitjançant l’electròlisi de l’aigua, que no seria un mètode sostenible ni favorable ja que l’energia generada mitjançant l’ús d’aquest hidrogen seria menor que la utilitzada per generar-lo. No obstant cal dir que aquesta pèrdua d’energia és relativa perquè pot provenir de cel·les fotovoltaiques, que en l’actualitat estan sent estudiades amb fortes inversions empresarials. El problema és que encara són ineficients i costoses en termes relatius.

L’aigua és el compost més abundant de la Terra, amb la seva omnipresència arreu i sent essencial per la vida. L’hidrogen molecular s’obtindria de l’aigua a través de separar els seus elements químics de la següent equació:

2H₂O → 2 H₂ + O₂

Encara que aquesta reacció és termodinàmicament desfavorable per 474.4 kJ·mol^-1, aquesta energia podria ser aportada per la llum del sol (una forma d’emmagatzemar energia solar en una forma d’agent químic altament energètic com és l´hidrogen molecular). Sigui com sigui, l’aigua no absorbeix la radiació electromagnètica emesa pel sol per promoure la separació de l’aigua en una forma cinèticament factible. Per superar aquest obstacle, un seguit de reaccions haurien de ser integrades en un dispositiu que fos capaç de captar la llum, separant així l’aigua en els seus components gràcies a la llum solar.

Figura 1. El món del petroli deixa pas a l’hidrogen com a font d’energia renovable: conversió d’aigua a hidrogen mitjançant catalitzadors metàl·lics.

La consecució d’una tecnologia de separació de l’aigua fiable requereix per tant l’estudi de tres components principals: un dispositiu capaç de captar la llum (1), un catalitzador involucrat en l’oxidació de l’aigua que acceleri la reacció (2) i un catalitzador capaç de facilitar la reducció de protons que fa la mateixa feina per reacció (3). A més a més aquests tres components haurien d’estar integrats en una única cel·la amb un intercanvi de protons per membrana i totes aquestes parts han de treballar adequadament en una forma harmonitzada. La Figura 2 recull un dibuix esquemàtic d’aquesta cel·la potencial i pot ser pensada com una modificació de la ja coneguda cel·la de Grätzel on enlloc de fer simplement electricitat, aquesta electricitat és utilitzada per genera un fuel químic, sent l´hidrogen molecular en aquest cas particular.

Figura 2. Dibuix esquemàtic d´una cel·la fotoquímica per separar l’aigua.

Encara que un important volum de treball ha estat dut a terme per desenvolupar els components (1) i (3), pel que fa a catalitzadors capaços d’oxidar l’aigua, l’estudi de (2) encara és escàs, estant encara en l’estadi de trobar-ne de ben definits. Aquest fet bloqueja la consecució de suports tecnològics que englobessin les tres parts del procés. La dificultat per obtenir sistemes catalítics eficients en l’oxidació de l’aigua té dues explicacions, una és que ens trobem amb una reacció amb una alta barrera termodinàmicament parlant, i la segona és l’alta complexitat molecular intrínseca associada amb el procés, bàsicament l’extracció de 4H⁺ i 4e^– de 2 molècules d’aigua juntament amb la formació d’un enllaç O-O (veure equació (2)). Aquest fet pot ser responsable que aquest procés sigui cinèticament deplorable en comparació amb l’escala de mil·lisegons que triga la natura a realitzar el procés. I com que la natura, per tant, pot dur a terme aquest procés en la fotosíntesi, cal versar-hi més esforços en el modelatge químic. Aquest procés relacionat amb la llum solar té lloc en plantes verdes i en un cert nombre de bactèries. Es converteix el diòxid de carboni i l’aigua en hidrats de carboni i oxigen molecular. En aquesta reacció natural duta a terme de forma permanent per la naturalesa, l’oxidació de l’aigua està acoplada a la reducció de diòxid de carboni, i, amb l’energia necessària per dur a terme el procés obtinguda de la llum solar. L’objectiu de la fotosíntesi artificial és mimetitzar l’aparell fotosintètic de les plantes verdes per convertir l’energia solar en energia química, amb l’oxidació fotocatalítica de l’aigua per donar oxigen molecular.

 Referències clau:

-International Energy Outlook 2008; September 2008 Energy Information Administration, U.S. Department of Energy.

-“Powering the planet: Chemical challenges in solar energy utilization”. Lewis, N. S.; Nocera, D. G. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 15729-15735.