Producir hidrógeno a partir de agua parece sencillo sobre el papel: basta con separar sus moléculas en hidrógeno y oxígeno. La dificultad está en aportar la energía necesaria sin recurrir a combustibles fósiles y, al mismo tiempo, encontrar materiales capaces de repetir el proceso sin degradarse.
Un equipo de investigadores de varios centros de Madrid ha identificado una perovskita que podría abrir una ruta diferente. Según el estudio publicado en la revista Small Structures, el compuesto SrFe₀,₉Mo₀,₁O₃₋δ, formado por estroncio, hierro, molibdeno y oxígeno, logró disociar agua y producir hidrógeno molecular a una temperatura de 800 °C.
El trabajo fue firmado por científicos vinculados a la Universidad Autónoma de Madrid, la Universidad San Pablo-CEU, la Universidad Complutense de Madrid, CUNEF Universidad, IMDEA Nanociencia y el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del CSIC. También participó la línea española SpLine del sincrotrón europeo ESRF, en Grenoble.
No es una perovskita de “tres capas”, sino una estructura cristalina concreta
La palabra perovskita no describe un único material ni una construcción formada simplemente por tres capas. Hace referencia a una familia de compuestos que comparten una determinada estructura cristalina, normalmente expresada mediante una fórmula general del tipo ABX₃.
En este caso, los investigadores trabajaron con una perovskita cúbica no estequiométrica. El símbolo δ de su fórmula indica que la cantidad de oxígeno puede variar ligeramente y dejar vacantes dentro de la red cristalina, una característica decisiva para el transporte de oxígeno y para su comportamiento químico.
Según explica el artículo de Small Structures, el material se calentó inicialmente a 800 °C en aire y después se expuso a agua a la misma temperatura. Durante el proceso, los investigadores detectaron la producción de hidrógeno y oxígeno.
La temperatura sigue siendo elevada, pero es muy inferior a la necesaria para romper agua mediante termólisis directa. El propio estudio señala que esa descomposición puramente térmica requiere más de 3.000 kelvin, una condición que plantea enormes dificultades técnicas y energéticas.
Los 800 °C del experimento podrían alcanzarse mediante sistemas solares de concentración, en los que un campo de espejos dirige la radiación hacia un receptor central. El Departamento de Energía de Estados Unidos explica que estas tecnologías pueden alimentar ciclos termoquímicos que operan aproximadamente entre 500 y 2.000 °C para producir hidrógeno sin depender directamente de electricidad de la red.
El hidrógeno procedía realmente del agua
Uno de los principales retos del experimento era demostrar que el hidrógeno detectado no procedía de humedad residual, impurezas o restos de otros compuestos presentes en el equipo.
Para descartarlo, los investigadores repitieron la reacción con agua pesada, o D₂O, cuyas moléculas contienen deuterio en lugar del hidrógeno común. Según el estudio, el análisis mediante espectrometría de masas detectó las señales correspondientes al deuterio después de exponer la perovskita al agua pesada. Eso permitió vincular directamente el gas producido con el agua introducida durante la prueba.
Las mediciones se realizaron bajo condiciones de ultrahigh vacuum, o vacío ultraalto, con espectrometría de masas cuadrupolar. No se trató, por tanto, de un reactor industrial ni de una planta piloto, sino de un experimento controlado diseñado para identificar con precisión los gases y los cambios sufridos por el material.
Esta distinción resulta importante. El trabajo demuestra que la perovskita puede participar en la disociación del agua y liberar hidrógeno, pero todavía no determina cuánto costaría producirlo a gran escala ni qué rendimiento energético tendría un sistema completo.
La reacción no sigue el ciclo habitual de otras perovskitas
Muchos materiales utilizados en la división termoquímica del agua funcionan mediante ciclos redox. Primero, el óxido se calienta y pierde parte de su oxígeno. Después, al entrar en contacto con vapor de agua, recupera ese oxígeno y libera hidrógeno.
La perovskita estudiada se comportó de una manera distinta. Según detallan Gloria Anemone y sus colaboradores en Small Structures, el material liberó oxígeno durante el calentamiento, pero no volvió a incorporarlo cuando reaccionó con agua.
Los análisis de absorción de rayos X tampoco detectaron los cambios en los estados de oxidación del hierro y el molibdeno que cabría esperar en un ciclo redox convencional. En cambio, la red cristalina mostró una expansión reversible cuando se introdujo agua y volvió a contraerse al cambiar nuevamente la atmósfera.
Esto apunta a un mecanismo no redox que todavía no está completamente explicado. La relevancia del resultado no reside únicamente en haber producido hidrógeno, sino en que el material parece hacerlo mediante una ruta química diferente de la descrita para muchas perovskitas utilizadas hasta ahora.
Comprender esa ruta puede ser decisivo. Cuando se conoce qué defectos de la estructura facilitan la reacción y cómo se mueve el oxígeno dentro del material, es posible diseñar nuevos compuestos que funcionen a menor temperatura o produzcan más hidrógeno por ciclo.
La estructura sobrevivió a 30 ciclos, pero eso no demuestra todavía una vida útil industrial
La estabilidad fue otro de los resultados destacados. El equipo sometió el compuesto a 30 ciclos consecutivos a 800 °C, alternando corrientes de aire y agua mientras analizaba su estructura mediante difracción de rayos X de sincrotrón.
Según muestra el artículo de Small Structures, el pico cristalográfico analizado continuó desplazándose de forma reversible durante el ciclo número 30 y no aparecieron señales de descomposición, segregación de fases o transformaciones estructurales irreversibles.
Es un resultado prometedor, pero 30 ciclos siguen representando una prueba inicial. Un material destinado a una instalación comercial tendría que soportar miles de ciclos, cambios bruscos de temperatura, flujos continuos de vapor y posibles contaminantes durante periodos prolongados.
Tampoco basta con que conserve su estructura. Será necesario conocer la cantidad de hidrógeno producida por cada gramo de material, la velocidad de la reacción, la energía consumida al calentarlo y la facilidad con la que puede fabricarse en grandes cantidades.
El término “hidrógeno verde” depende de cómo se aporte el calor
El estudio presenta el material como un candidato para producir hidrógeno sostenible, pero el color del hidrógeno no lo determina la molécula final. Depende de la energía y de los procesos utilizados para obtenerla.
Si los 800 °C procedieran de energía solar concentrada u otra fuente renovable con bajas emisiones, el hidrógeno podría considerarse verde. Si el calor se generara quemando gas natural, el balance climático sería muy diferente.
El Laboratorio Nacional de Energías Renovables de Estados Unidos estudia precisamente sistemas termoquímicos solares en los que campos de heliostatos concentran luz sobre reactores capaces de realizar ciclos de reducción y oxidación. Sus diseños actuales suelen trabajar a temperaturas superiores a 1.400 °C, lo que explica el interés por materiales que puedan operar en condiciones menos extremas.
En este sentido, la perovskita española no es todavía una tecnología lista para fabricar hidrógeno, sino una pieza potencial de un sistema futuro. Harían falta un reactor solar, mecanismos para introducir vapor y extraer los gases, recuperación del calor y métodos seguros para separar el hidrógeno del oxígeno.
El verdadero avance está en haber encontrado una ruta que no se esperaba
El trabajo no demuestra que el problema del hidrógeno verde esté resuelto ni que esta perovskita vaya a reemplazar a los electrolizadores. Su principal aportación es más fundamental: muestra que SrFe₀,₉Mo₀,₁O₃₋δ puede dividir agua a 800 °C, repetir la reacción sin perder su estructura y hacerlo mediante un mecanismo diferente del ciclo redox convencional.
Los siguientes pasos deberán cuantificar la eficiencia, aclarar la reacción química, aumentar el número de ciclos y probar el material en condiciones más próximas a un reactor real.
Aun así, la investigación abre una posibilidad interesante. En lugar de limitarse a mejorar los materiales conocidos, el equipo madrileño ha encontrado una perovskita cuyo comportamiento obliga a reconsiderar cómo pueden emplearse estos óxidos para separar agua. Y, en ciencia de materiales, descubrir que una reacción no funciona como se esperaba puede ser precisamente el comienzo del avance más importante.
