Cuando la luz se convierte en combustible: materiales del futuro para el combustible del mañana

La creciente demanda global de energía, el agotamiento de los recursos fósiles y la necesidad urgente de frenar el cambio climático están forzando una transición sustancial en nuestro modelo energético. Frente a este desafío, el hidrógeno verde ha surgido como uno de los candidatos más prometedores para almacenar y transportar energía de forma limpia y sostenible. Este tipo de hidrógeno se obtiene mediante la división de moléculas de agua utilizando fuentes renovables como la luz solar, y sin emitir gases de efecto invernadero durante el proceso.

Una de las tecnologías más prometedoras para la división de moléculas de agua es la separación fotoelectroquímica del agua (del inglés, PEC), que permite generar hidrógeno directamente a partir de luz solar y agua, sin necesidad de electricidad externa. Esta vía aparece como una alternativa más directa y potencialmente más económica que la electrólisis convencional, especialmente si se logran superar sus principales limitaciones: eficiencia limitada, materiales poco estables y escalabilidad reducida.

Uno de los principales desafíos en la producción sostenible de hidrógeno verde es la escasez de materiales catalíticos que sean eficientes, duraderos, sintéticamente reproducibles y económicamente viables para su fabricación a gran escala. Muchos de los catalizadores actuales dependen de metales del grupo del platino, costosos y poco abundantes, lo que limita su aplicabilidad industrial. Además, los electrolizadores requieren un mantenimiento intensivo, presentan una vida útil limitada y su eficiencia está fuertemente condicionada por el costo y la estabilidad del suministro eléctrico, que representa hasta el 80% del coste operativo total. Estos factores dificultan la escalabilidad y sostenibilidad económica de la producción de hidrógeno verde, poniendo de relieve la necesidad de nuevos materiales y tecnologías que permitan superar estas barreras.

Según el informe Global Hydrogen Review 2024 de la Agencia Internacional de la Energía (IEA), más del 95% del hidrógeno se produce aún a partir de combustibles fósiles, generando más de 900 Mt de CO₂ al año. Frente a ello, se están consolidando alternativas como la electrólisis con energías renovables y el reformado con captura de carbono (CCS). Aunque la producción de hidrógeno bajo en carbono fue de solo 180 kt en 2023, ya existen más de 40 proyectos comerciales en operación, y se espera alcanzar 420 GW de capacidad instalada de electrólisis para 2030, liderados por Europa, China, Australia y EE.UU.

En este contexto nace el proyecto HYDRAGON (From Light to Energy: Synergetic Multifunctional Materials Driving Photoelectrochemical Hydrogen Generation), una colaboración internacional liderada desde España por el Instituto IMDEA Energía, y que cuenta con la participación de instituciones de Corea del Sur (Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea , Universidad Nacional de Jeonbuk y Shamwan Co. Ltd.), Turquía (Universidad Técnica de Estambul) y la República Checa (Universidad Carolina).

El objetivo principal de HYDRAGON es desarrollar nuevos materiales fotoactivos eficientes, estables y económicos que permitan la fabricación de dispositivos PEC capaces de generar hidrógeno verde a partir de agua natural (como la de ríos o mares) y luz solar. La novedad del enfoque radica en combinar múltiples componentes funcionales en un mismo dispositivo y que actúen de forma conjunta, sinérgicamente, bajo condiciones reales de operación.

HYDRAGON plantea el diseño de materiales y su construcción desde el nivel molecular o atómico, diseñando sus propiedades de forma controlada a partir de sus componentes más básicos, partiendo de elementos abundantes en la Tierra y de fácil procesado (Figura 1). Sobre tejidos de carbono flexibles, seleccionados por su bajo coste, alta conductividad y gran superficie, se anclarán diferentes capas de materiales semiconductores.

Además, se incorporarán fotosensibilizadores orgánicos, inspirados en la fotosíntesis natural. Estos fotosensibilizadores actuarán como antenas moleculares que capturan la luz visible y facilitan la transferencia de electrones hacia el sistema. A ello se sumará la presencia de cocatalizadores, que mejorarán la cinética de evolución del hidrógeno gracias a su elevada conductividad y área superficial.

Figura 1. Esquema de los materiales que componen los electrodos flexibles: un soporte basado en tejidos de carbono sobre el que se depositan otros materiales semiconductores (por ejemplo, nitruros y óxidos metálicos, perovskitas o redes metal-orgánicas).

HYDRAGON es pionero en integrar por primera vez esta combinación de materiales en dispositivos PEC portátiles tipo tándem (Figura 2), capaces de operar en flujo continuo y utilizando directamente agua no purificada. Este tipo de arquitectura permite optimizar la absorción solar, aumentando así el rendimiento global (eficiencia de la energía solar-a-hidrógeno, STH).

Además, los materiales desarrollados en HYDRAGON están diseñados para ser ajustables, lo que significa que se pueden modificar sus propiedades de forma controlada, como su capacidad para absorber luz, conducir electricidad o participar en reacciones químicas mediante técnicas como el dopado, la introducción de pequeños defectos o la elección cuidadosa de los componentes orgánicos que los forman. Esto ofrece una enorme versatilidad para adaptar los materiales a distintos entornos de aplicación, desde zonas rurales sin infraestructura energética hasta industrias costeras con acceso directo al mar.

Figura 2. Esquema de la representación y modo de actuación de un dispositivo PEC portátil tipo tándem (izquierda) y aspecto real de un dispositivo similar, que emplea únicamente corriente eléctrica para la electrólisis del agua (derecha).

Los resultados de HYDRAGON no se limitan a la producción de hidrógeno. El conocimiento generado sobre materiales fotoactivos, estabilidad, escalabilidad y eficiencia podría tener aplicaciones en otros campos como la degradación de contaminantes, sensores ambientales o dispositivos fotovoltaicos avanzados.

Desde el punto de vista energético, HYDRAGON apoya los esfuerzos europeos y coreanos de neutralidad climática, y aspira a desarrollar tecnologías que permitan producir hidrógeno verde por debajo de los 2 €/kg antes de 2030. El impacto económico incluye nuevas oportunidades industriales, creación de empleo y transferencia tecnológica a empresas interesadas en energías limpias, tratamiento de aguas o fabricación de dispositivos solares. Además, la posibilidad de utilizar agua marina o fluvial sin purificación previa refuerza la sostenibilidad del enfoque.

Uno de los pilares fundamentales del proyecto HYDRAGON es su carácter altamente colaborativo y multidisciplinar, que une a centros de investigación académica e industrial. Especial mención merece la contribución de SHAMWAN Co., Ltd. (Corea del Sur), una empresa con experiencia en soluciones tecnológicas para aplicaciones sostenibles. Como socio industrial, SHAMWAN será responsable de liderar la transición del sistema desde niveles de laboratorio (conocido como nivel de desarrollo tecnológico, o TRL 2–3) hasta una celda fotoelectroquímica funcional como pre-prototipo (TRL 4). Su implicación garantiza que la tecnología desarrollada no se quede en la etapa de investigación básica, sino que avance hacia su posible integración en soluciones comerciales descentralizadas, es decir, que puedan ser instaladas in situ, en el lugar de consumo, y que funcionen de forma autónoma o semiautónoma.

El objetivo último del proyecto es que los dispositivos resultantes puedan emplearse para generar hidrógeno verde de forma directa, segura y eficiente en lugares donde las tecnologías actuales no son viables: zonas rurales, áreas costeras o instalaciones móviles. A largo plazo, se aspira a establecer colaboraciones con nuevas entidades para continuar el escalado tecnológico hacia niveles pre-comerciales, reforzando así el potencial de HYDRAGON como herramienta clave para la transición energética global.

HYDRAGON propone una estrategia sólida y realista: transformar el modo en que producimos energía renovable mediante el uso racional y sostenible de recursos abundantes como el sol y el agua. El proyecto apuesta por la circularidad, la evaluación del ciclo de vida y la responsabilidad social en todas las etapas del proceso. A través de la investigación, la colaboración internacional y la innovación tecnológica, HYDRAGON se posiciona como una pieza clave en la transición hacia un sistema energético más limpio, seguro y equitativo.

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