Investigadores de la Universidad de Cambridge han desarrollado un dispositivo que podría ser útil en entornos con recursos limitados o sin acceso a la red eléctrica, ya que funciona con cualquier fuente de agua abierta y no requiere energía externa.
El dispositivo se inspira en la fotosíntesis, el proceso mediante el cual las plantas convierten la luz solar en alimento. A diferencia de versiones anteriores de la “hoja artificial”, que solo podían generar hidrógeno verde a partir de fuentes de agua limpia, este nuevo dispositivo puede operar con agua contaminada o de mar y al mismo tiempo producir agua potable limpia.
Los resultados de las pruebas del dispositivo mostraron que era capaz de producir agua limpia a partir de agua altamente contaminada, agua de mar e incluso del río Cam en el centro de Cambridge, según se informa en la revista Nature Water.
“Combinar la producción de combustibles solares y la purificación de agua en un solo dispositivo es complicado”, dijo el Dr. Chanon Pornrungroj del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, coautor del estudio. “La división del agua impulsada por la energía solar, donde las moléculas de agua se descomponen en hidrógeno y oxígeno, necesita comenzar con agua totalmente pura porque cualquier contaminante puede envenenar el catalizador o causar reacciones químicas no deseadas”.
“En regiones remotas o en desarrollo, donde el acceso a agua potable es relativamente escaso y la infraestructura necesaria para la purificación del agua no está disponible fácilmente, la división del agua es extremadamente difícil”, dijo el coautor Ariffin Mohamad Annuar. “Un dispositivo que pueda funcionar con agua contaminada podría resolver dos problemas a la vez: podría dividir el agua para producir combustible limpio y también podría producir agua potable limpia”.
Pornrungroj y Mohamad Annuar, miembros del grupo de investigación del profesor Erwin Reisner, diseñaron un dispositivo que cumple precisamente con ese objetivo. Depositaron un fotocatalizador en una malla de carbono nanoestructurada, un buen absorbedor de luz y calor, generando el vapor de agua utilizado por el fotocatalizador para crear hidrógeno. La malla de carbono porosa, tratada para repeler el agua, sirvió tanto para ayudar al fotocatalizador a flotar como para mantenerlo alejado del agua debajo, de modo que los contaminantes no interfieran con su funcionamiento.
Además, el nuevo dispositivo utiliza más energía del sol. “El proceso que utiliza la luz para crear combustibles solares solo utiliza una pequeña porción del espectro solar; hay mucho espectro que queda sin usar”, explicó Mohamad Annuar.
El equipo utilizó una capa blanca que absorbe la luz ultravioleta en la parte superior del dispositivo flotante para producir hidrógeno mediante la división del agua. El resto de la luz en el espectro solar se transmite a la parte inferior del dispositivo, donde se evapora el agua.
“De esta manera, estamos aprovechando mejor la luz: obtenemos vapor para la producción de hidrógeno y el resto es vapor de agua”, dijo Pornrungroj. “De esta manera, realmente estamos imitando una hoja real, ya que ahora hemos logrado incorporar el proceso de transpiración”.
Un dispositivo que pueda generar combustible limpio y agua potable al mismo tiempo utilizando solo energía solar podría ayudar a abordar las crisis energética y hídrica que enfrentan muchas partes del mundo. Por ejemplo, la contaminación del aire en interiores causada por cocinar con combustibles “sucios”, como el queroseno, es responsable de más de tres millones de muertes al año, según la Organización Mundial de la Salud. Cocinar con hidrógeno verde en lugar de esto podría ayudar a reducir significativamente ese número. Además, 1800 millones de personas en todo el mundo aún carecen de acceso a agua potable segura en sus hogares.
“Además, el diseño es muy sencillo: en solo unos pocos pasos, podemos construir un dispositivo que funciona bien con agua de una amplia variedad de fuentes”, dijo Mohamad Annuar.
“Es también muy tolerante a los contaminantes, y el diseño flotante permite que el sustrato funcione incluso en agua muy turbia o fangosa”, agregó Pornrungroj. “Es un sistema altamente versátil”.
“Nuestro dispositivo sigue siendo una prueba de concepto, pero este tipo de soluciones serán necesarias si queremos desarrollar una economía circular y un futuro sostenible”, afirmó Reisner, líder de la investigación. “La crisis climática y los problemas relacionados con la contaminación y la salud están estrechamente relacionados, y desarrollar un enfoque que pueda abordar ambos sería un cambio transformador para muchas personas”.
La investigación fue apoyada en parte por el Programa Horizonte 2020 de la Comisión Europea, el Consejo Europeo de Investigación, la Fundación de Cambridge, el Programa de Patrocinio de Educación de Petronas y el Programa Winton para la Física de la Sostenibilidad. Erwin Reisner es miembro del Colegio St John’s. Chanon Pornrungroj es miembro del Colegio Darwin y Ariffin Mohamad Annuar es miembro del Colegio Clare.
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