Innovadora producción de hidrógeno sin sesgo mediante oxidación de furfural y fotoelectrodos de silicio cristalino

La búsqueda de fuentes de energía renovable y sostenibles ha impulsado avances significativos en tecnologías para la producción de hidrógeno, un combustible limpio y con gran potencial para sustituir los combustibles fósiles. Entre las técnicas emergentes, la fotoelectroquímica para generar hidrógeno ha recibido especial atención al permitir el aprovechamiento directo de la luz solar para dividir el agua u otros compuestos, transformando la energía solar en un vector energético transportable. Sin embargo, uno de los retos fundamentales para maximizar esta tecnología reside en el desarrollo de dispositivos que eleven la eficiencia sin requerir un aporte externo de energía, es decir, que funcionen sin sesgo (bias-free). En este contexto, el trabajo pionero que combina la oxidación de furfural con fotoelectrodos de silicio cristalino abre una puerta hacia la producción de hidrógeno altamente eficiente, superando límites previos y generando productos co-valiosos. El furfural es un compuesto derivado de biomasa lignocelulósica, abundante y renovable, con una producción industrial significativa a nivel global.

Su estructura aldehído lo convierte en un candidato ideal para reaccionar en procesos oxidativos electroquímicos a bajo potencial, mucho menor que el exigido para la oxidación del agua convencionalmente utilizada en celdas de electrólisis y sistemas fotoelectroquímicos. Este bajo potencial permite a dispositivos basados en silicio cristalino, que poseen una fotovoltaje intrínseca limitada, operar sin la necesidad de voltajes externos adicionales, algo que ha sido una barrera importante para la comercialización masiva de estas tecnologías. El silicio cristalino destaca como material para fotoelectrodos debido a su pequeña banda prohibida, permitiendo que absorba una amplísima gama del espectro solar visible e infrarrojo cercano. Su abundancia en la corteza terrestre y la madurez de sus procesos de fabricación le proporcionan ventajas sobre otros materiales más costosos o menos disponibles. Sin embargo, la fotovoltaje que puede generar intrínsecamente, aproximadamente 0.

6 V, es insuficiente para superar el umbral energético requerido para la división completa del agua que supera 1.6 V debido a la cuantiosa energía requerida para la evolución del oxígeno. Para resolver este problema, en lugar de promover la reacción clásica de oxidación del agua, se ha implementado la oxidación de furfural, mucho más favorable termodinámicamente y con un potencial de arranque cercano a 0.05 V frente al electrodo reversible de hidrógeno. Esto permite realizar una división de agua asistida, donde el hidrógeno se genera en ambos electrodos: en el cátodo mediante la reducción del agua y en el ánodo gracias a la oxidación de furfural, que no solo produce hidrógeno sino que además genera ácido fúrico, un producto con valor industrial considerable en sectores farmacéuticos, textiles y polímeros.

El diseño del fotoelectrodo basado en silicio cristalino con estructura de contacto posterior interdigitado (IBC) y recubrimientos protectores optimizados ha permitido maximizar tanto la corriente fotogenerada como el voltaje desplegado, además de proteger el silicio de la degradación en ambientes alcalinos donde se lleva a cabo la reacción electroquímica. Complementariamente, la incorporación de un catalizador de platino sobre carbono grafitizado y un sustrato de níquel mejora la cinética de la reacción de evolución de hidrógeno, garantizando altos rendimientos y estabilidad operacional. El efecto refrigerante inducido por el electrolito contribuye a mantener la eficiencia óptima del sistema al evitar la caída en el voltaje fotogenerado causada por la temperatura. Los electrodos anódicos diseñados con una malla de alambres de cobre metálico especialmente procesada presentan alta actividad para la oxidación selectiva del furfural, validándose mediante técnicas avanzadas como microscopía electrónica, difracción de rayos X y espectroscopía de absorción que confirman la presencia de sitios activos específicos y características estructurales estables. La reacción se desarrolla con Faradaic eficiencia cercana al 100%, lo que evidencia que prácticamente toda la corriente generada se traduce en las reacciones deseadas con mínima formación de subproductos no deseados.

Al integrar ambos componentes, el sistema logra una producción simultánea y eficiente de hidrógeno en ánodo y cátodo bajo iluminación solar estándar (simulación AM 1.5 G), alcanzando una tasa récord de 1.40 mmol h⁻¹ cm⁻². Este valor es aproximadamente cuatro veces superior al objetivo establecido por el Departamento de Energía de Estados Unidos para aplicaciones prácticas de producción de hidrógeno solar. El resultado es doblemente significativo si consideramos que se trata de una operación sin necesidad de aplicación de potencial externo, lo cual representa un ahorro energético clave para la viabilidad económica a gran escala.

Además del rendimiento cuantitativo, esta tecnología presenta ventajas ambientales y económicas. La utilización de furfural, compuesto derivado de biomasa de amplio alcance y potencial escalabilidad, contribuye a la reducción del impacto ambiental asociado a combustibles fósiles. La generación de ácido fúrico al mismo tiempo que hidrógeno multiplica el valor agregado de la operación, creando posibles cadenas de suministro integradas para industrias químicas y energéticas. Si bien los resultados son prometedores, uno de los desafíos prácticos es la estabilidad a largo plazo del electrodo de cobre, dado que en condiciones electroquímicas puede sufrir oxidación parcial y lixiviación que disminuyen gradualmente su actividad. Sin embargo, investigaciones avanzadas proponen estrategias para mejorar esto mediante dopajes portadores de carga y recubrimientos poliméricos redox que limitan la degradación y prolongan la vida útil de los catalizadores.