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Investigadora de la U. de Chile trabaja en nanotecnología a base de cobre y estaño que podría revolucionar la industria del hidrógeno verde

El proyecto encabezado por la Dra. Maibelin Rosales plantea la fotocatálisis como método de obtención de hidrógeno a partir del agua, un sistema que podría ser aun más sencillo y eficiente que los procesos de producción tradicionales.

Diario UChile

  Miércoles 6 de diciembre 2023 11:18 hrs. 
MAIBELIN ROSALES

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Chile fue el destino que Maibelin Rosales escogió para desarrollar sus estudios de doctorado en Ciencias de los Materiales, país que la joven investigadora destaca como un referente en investigación y tecnología a nivel latinoamericano. La ingeniera química dejó su trabajo en el Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas para comenzar su formación avanzada el año 2015 en la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, donde terminó sus estudios de doctorado el año 2019.

urante este período, además, se integró como investigadora del Centro Avanzado de Tecnología para la Minería (AMTC) del mismo plantel, unidad donde hoy desarrolla un proyecto ganador del Concurso Fondecyt de Postdoctorado 2022, centrado en la producción de hidrógeno verde mediante el diseño de nanomateriales fototermales.

La innovadora propuesta plantea la posibilidad de producir hidrógeno a través de la fotocatálisis, es decir, mediante la reacción de estos nanomateriales que, al ser expuestos a la luz solar, pueden romper la molécula de H2O para producir hidrógeno verde. En este sentido, la doctora Maibelin Rosales destaca que “la generación fotocatalítica de hidrógeno verde por watersplitting surge como una prometedora alternativa frente a la electrólisis, por no requerir de una fuente externa de energía eléctrica para separar la molécula del agua en hidrógeno y oxígeno. En este caso, es directamente la radiación solar la que actúa como fuente de energía sobre el nanomaterial, y este, a su vez, es capaz de fotogenerar las cargas eléctricas necesarias para llevar a cabo la separación”.

Una de las ventajas de este sistema radica en que “al requerir únicamente de luz solar y un nanomaterial semiconductor, se evita el uso de costosos y robustos equipos o el acoplamiento a paneles fotovoltaicos para obtener la energía requerida”, explica la hoy doctora en Ciencias de los Materiales. Actualmente, indica, “la electrólisis, al ser una tecnología de mayor madurez, lidera esta producción, comparada con la fotocatálisis, que es una tecnología emergente que aún se encuentra en fase de desarrollo. Esto hace que el escalamiento industrial de la fotocatálisis pueda implicar costos iniciales más altos que la electrólisis, pero con el potencial de reducción a medida que la tecnología avance y se escale”.

Mecanismo de producción de hidrógeno empleando nanomateriales fototérmicos personalizados de óxido de cobre y dióxido de estaño. Al ser expuestos a la luz solar, estos nanomateriales pueden romper la molécula del agua para producir H2.

Mecanismo de producción de hidrógeno empleando nanomateriales fototérmicos personalizados de óxido de cobre y dióxido de estaño. Al ser expuestos a la luz solar, estos nanomateriales pueden romper la molécula del agua para producir H2.

La magia de los nanomateriales

La búsqueda de materiales semiconductores para la fotoproducción de hidrógeno, capaces de romper la molécula del agua, llevó a la investigadora de la Universidad de Chile a trabajar con dos sets de materiales: óxido de cobre y dióxido de estaño. “La primera característica para su elección se basó en que sean materiales semiconductores aptos para llevar a cabo esta reacción fotocatalítica, y segundo que al miniaturizarlos sean capaces de ser usados en un amplio rango del espectro solar”, detalla Maibelin Rosales, quien menciona que otro criterio fue utilizar materiales económicos para trabajar desde un inicio en procesos productivos menos costosos. También consideraron su capacidad fototérmica, es decir, que al absorber energía solar puedan producir calor y transferirlo al agua, lo que ayuda a que la reacción fotocatalítica se acelere.

La ingeniera química comenzó así la experimentación con distintos diseños a una escala nanométrica, con tamaños casi 100.000 veces más pequeños que el diámetro de un cabello humano y cerca de 100 veces más pequeño que el Coronavirus. “Una de las cosas más impresionantes de estos materiales es que la mayoría de sus propiedades son potenciadas al llevarlos al mundo nano, pero, además, cuando cambiamos sus formas, sus propiedades también varían drásticamente”, explica. Otro punto novedoso, agrega, “es que al diseñar adecuadamente las diferentes formas de estos nanomateriales, cambiamos también sus propiedades ópto-electrónicas y podemos otorgarles una propiedad fototérmica. Esto significa que bajo luz solar pueden generar calor de forma autárquica, lo cual aumenta la temperatura del agua y, por lo tanto, mejora la velocidad de reacción para generar hidrógeno”.

Esferas, tubos, láminas tipo hojas y hasta flores han sido algunas de las formas nanométricas diseñadas por la investigadora de la Universidad de Chile. “Esta manipulación de sus formas me ha permitido ajustar muchas de sus propiedades, y hacerlos aptos para que absorban energía en un amplio rango del espectro solar, lo que hace que muchos de ellos puedan ser usados eficientemente bajo irradiación solar. Además, varios de ellos también han presentado esta capacidad fototérmica mencionada, lo cual es ventajoso en la aceleración de la reacción para generar H2 (hidrógeno)”.

Hasta la semana pasada, la doctora Maibelin Rosales estuvo analizando estos nanomateriales, diseñados en Chile, en laboratorios especializados de microscopía electrónica de barrido por emisión de campo en la Universidad McGill de Montreal. Hace pocos días regresó a Chile con importantes hallazgos para avanzar hacia la etapa de pruebas de aplicación para aquellas estructuras que fueron exitosamente diseñadas y mostraron mayores ventajas para la producción de hidrógeno.

Un futuro verde para el hidrógeno en Chile

Según el Ministerio de Energía, Chile podría reducir sus emisiones de CO2 en un 20% para el 2050 gracias al despliegue de la industria del hidrógeno verde. Su producción mediante electrólisis hoy se sustenta principalmente en el uso de electricidad generada por fuentes como la energía solar fotovoltaica, cuyos costos oscilan entre los 3 y 7,5 $USD/KgH2. De todas maneras, aunque aún no es comercialmente competitivo respecto al hidrógeno obtenido a partir de combustibles fósiles (que no supera los 3,2 $USD/KgH2), se prevé que en Chile este costo disminuirá a 1,4 $USD/KgH2 para el 2030.

Estas proyecciones posicionarían a Chile no solo como el productor de H2V más económico a nivel mundial, sino también como uno de los principales exportadores de hidrógeno hacia el 2040. En esta dirección, el avance en investigación y desarrollo científico-tecnológico para la producción fotocatalítica de hidrógeno verde a partir de nanomateriales puede significar una revolución en la industria. “Sus ventajas en términos de procesos más simples y económicos en comparación con la electrólisis proporcionan una alternativa verde, amigable con el medio ambiente y con mayor viabilidad económica de producción”, sostiene la doctora Maibelin Rosales.

Cerca del 95% de la actual producción comercial de hidrógeno proviene de un proceso que consume mucha energía y que va acompañado de la liberación de grandes cantidades de CO2. En este sentido, la economía del hidrógeno verde va de la mano con la transición energética que permita avanzar hacia la meta de carbono neutralidad al 2050.

Por esta razón, la investigadora de la Universidad de Chile señala que, “considerando que el norte de Chile cuenta con uno de los mayores potenciales de radiación solar a nivel mundial, es imposible no trabajar en pro de desarrollos científicos-tecnológicos que permitan aprovechar esta privilegiada posición geográfica. Teniendo esto en mente, estoy segura de que la sinergia entre la nanotecnología y la tecnología solar hará posible que este tipo de innovación de menor costo y fácil implementación impulsará no solo el alcance de la meta de descarbonización, sino a encabezar la lista de los países con mayor producción de hidrógeno a partir de energía solar”.

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