El creciente interés por fuentes de energía alternativas y limpias ha impulsado el desarrollo de tecnologías que permitan aprovechar la energía solar para la producción de hidrógeno, un combustible limpio y almacenable que podría reemplazar los combustibles fósiles tradicionales. En este contexto, la producción fotoelectroquímica (PEC) de hidrógeno ha surgido como una de las estrategias más prometedoras para convertir la energía solar de forma directa en hidrógeno mediante la división del agua. Sin embargo, lograr una producción eficiente y económicamente viable ha sido un gran desafío, especialmente cuando se utilizan materiales comunes como el silicio cristalino (c-Si) en fotoelectrodos. Un avance significativo ha sido el acoplamiento de la oxidación de furfural con la producción de hidrógeno utilizando fotoelectrodos de silicio, que ha permitido superar limitaciones fundamentales y alcanzar tasas de producción que superan con creces los objetivos establecidos por el Departamento de Energía de Estados Unidos. El silicio cristalino es un material abundante y bien estudiado, reconocido por su alta densidad de fotocorriente debido a su pequeño band gap de aproximadamente 1,1 electronvoltios, lo que le permite absorber una amplia gama de la luz solar.
A pesar de estas características favorables, su voltaje fotogenerado intrínseco ronda los 0,6 voltios, insuficiente para superar la alta barrera energética requerida para la división convencional del agua, que demanda más de 1,6 voltios debido a la sobrepotencial que exige la reacción de evolución de oxígeno (OER) en ácidos o bases. Para solventar esta limitación, muchos estudios han optado por sistemas con bias externo o por combinar fotoelectrodos de silicio con materiales que aumentan el voltaje, sacrificando generalmente la densidad de corriente y, por ende, la eficiencia global. La innovación principal en esta línea de investigación consiste en sustituir la reacción de oxidación del agua, que es energéticamente costosa y da como producto oxígeno poco valioso, por la oxidación de compuestos orgánicos con potenciales más bajos, y que además generan subproductos de mayor valor agregado. En particular, la oxidación de furfural, un aldehído derivado de la biomasa, ha demostrado ser una ruta viable para reducir significativamente la energía necesaria durante la reacción anódica en el proceso PEC. El furfural es una molécula sustancialmente abundante a nivel global, generada a partir del procesamiento de lignocelulosa, y usada tradicionalmente en la industria química como plataforma para diversos productos.
La oxidación electroquímica de furfural en electrodos de cobre metálico conduce a la formación de ácido furoico, un compuesto de elevado valor industrial empleado en farmacéuticos, aromas y polímeros, y a la producción simultánea de hidrógeno en la reacción anódica. Este camino no solo reduce la demanda de voltaje para la reacción primaria, sino que también dota al sistema de dualidad en la producción de hidrógeno: el catalizador de silicio cristalino en el cátodo sigue reduciendo agua para producir hidrógeno, mientras que la oxidación orgánica en el ánodo genera hidrógeno adicional, duplicando la eficiencia total. En términos técnicos, el desarrollo de fotoelectrodos basados en silicio con contacto trasero entrelazado (IBC) ha permitido maximizar tanto la densidad de corriente como el voltaje abierto, minorizando pérdidas ópticas y eléctricas comunes en las configuraciones tradicionales. La encapsulación cuidadosa con vidrio más un recubrimiento antirreflectante de MgF2 ayuda además a preservar la máxima absorción lumínica y a proteger el silicio del ambiente alcalino, garantizando estabilidad operativa. En paralelo, el empleo de un catalizador de platino sobre carbono graphitizado (PtC) reforzado sobre una lámina de níquel permite una eficiente generación de hidrógeno en el cátodo mediante la reacción de reducción del agua, mediante transferencia rápida y eficiente de electrones.
La reacción de oxidación de furfural en el ánodo, catalizada por una matriz de hilos metálicos de cobre, presenta un potencial de arranque (onset) que es sustancialmente menor que la errónea evolución de oxígeno. Esto se traduce en un voltaje fotogenerado conjunto efectivo menor, posibilitando el funcionamiento del sistema sin necesidad de bias externo. La conversión de furfural a ácido furoico exhibe una eficiencia de Faraday cercana al 100%, con un balance de carbono casi perfecto, lo que indica una reacción altamente selectiva y productiva. La producción simultánea de hidrógeno en el ánodo y cátodo se ha comprobado mediante técnicas de espectrometría de masas con compuestos marcados isotópicamente, confirmando que los orígenes moleculares de hidrógeno son distintos y claros. La integración del fotoelectrodo de silicio con el ánodo de cobre permite una tasa de producción de hidrógeno bajo iluminación solar estándar (1 sol AM 1.
5 G) de 1,40 mmol por hora y centímetro cuadrado, superando por más de cuatro veces la meta establecida por el Departamento de Energía de Estados Unidos. Este avance no solo marca un récord en la producción bias-free (sin sesgo eléctrico externo) de hidrógeno sino que también añade un beneficio económico gracias a la concomitante obtención de ácido furoico, un subproducto comercializable y valioso. La estabilidad operativa del sistema, si bien enfrentó cierta disminución en la eficiencia tras varias horas debido a una leve oxidación y lixiviación del cobre metálico, se mantuvo robusta durante un lapso mayor a diez horas continuas, lo que ofrece un amplio margen para mejoras técnicas mediante la adición de polímeros redox o incorporación de elementos metálicos secundarios para inhibir la degradación del catalizador. Esta estrategia también abre la puerta a la utilización de otras aldehídas con potenciales igualmente bajos y productos finales valiosos, como la oxidación del formaldehído o acetaldehído, ampliando la aplicabilidad de la tecnología para un espectro más amplio de materias primas derivadas de biomasa. A su vez, la disponibilidad creciente de furfural y otros compuestos aromáticos derivados de lignocelulosa indica un futuro prometedor en términos de abastecimiento para instalaciones pilotos y comerciales.
En resumen, el acoplamiento de la oxidación de furfural con la producción de hidrógeno en fotoelectrodos de silicio cristalino representa una solución innovadora y eficiente para los retos que enfrenta la producción de hidrógeno renovable a gran escala. Al combinar un material abundante y bien desarrollado como el silicio con una reacción anódica orgánica energéticamente favorable y económicamente atractiva, se logra una producción de hidrógeno con doble eficiencia, sin la necesidad de fuentes externas de energía eléctrica para bias, lo cual reduce costos y complejidades. Este enfoque multiproducto, que genera simultáneamente hidrógeno y ácidos orgánicos de alto valor, puede transformar la viabilidad económica y tecnológica de los sistemas PEC para hidrógeno solar, posicionándolos como opciones competitivas frente a las tecnologías basadas en combustibles fósiles. A medida que el desarrollo y optimización de componentes avance, y que la cadena de suministro de biomasa se fortalezca, esta tecnología tiene el potencial de convertirse en un pilar fundamental dentro del futuro de la energía verde y la economía circular. La innovación en el diseño de sistemas PEC, junto con una perspectiva integrada que considera la valorización de subproductos, constituye un camino claro para superar barreras históricas en la producción de combustibles limpios, continuando la misión global de mitigar el cambio climático y avanzar hacia una sociedad descarbonizada impulsada por energía solar.
Por ende, la investigación demostrada con la oxidación de furfural y fotoelectrodos de silicio cristalino no solo representa un avance científico destacado, sino una alternativa palpable y escalable que podrá marcar la diferencia en los años venideros para la generación de hidrógeno sostenible y económico.