La búsqueda constante por fuentes de energía sostenibles y limpias se ha convertido en uno de los desafíos más importantes de nuestro siglo. En este contexto, la producción de hidrógeno mediante métodos renovables, en particular a través de sistemas fotoelectroquímicos, presenta un enorme potencial para descarbonizar sectores industriales, mejorar la independencia energética y mitigar el cambio climático. Entre las tecnologías emergentes, un avance notable es la integración de la oxidación de furfural con fotoelectrodos de silicio cristalino para generar hidrógeno de forma eficiente y sin necesidad de fuentes de energía externas añadidas. La producción convencional de hidrógeno a través del electrodo de agua requiere altos voltajes debido a la elevada demanda energética para la oxidación del agua, que se traduce en la evolución de oxígeno en el ánodo y hidrógeno en el cátodo. Sin embargo, el silicio cristalino, aunque es un semiconductor con un excelente potencial para captar luz solar y generar corriente eléctrica, posee un voltaje fotovoltáico intrínseco limitado a aproximadamente 0.
6 voltios, insuficiente para conducir la división del agua, que demanda más de 1.6 voltios para superar la barrera energética. Esta limitación ha frenado la aplicación directa del silicio cristalino en sistemas fotoelectroquímicos autónomos para la división del agua. Para superar esta limitación, científic@s han ideado reemplazar la oxidación del agua por la oxidación de moléculas orgánicas de bajo potencial, tales como aldehídos derivados de biomasa. Es en este escenario donde el furfural, un compuesto orgánico derivado del hemiceluloso de la biomasa lignocelulósica, juega un papel fundamental.
La oxidación electroquímica del furfural no solo ocurre a potenciales menores, sino que además produce como co-producto ácido furoico, un químico de alto valor industrial empleado en sectores farmacéuticos, de adhesivos y polímeros. La reacción de oxidación del furfural en un ánodo de cobre metálico permite disminuir la demanda energética del proceso, posibilitando la operación del sistema con un único fotoelectrodo de silicio cristalino sin necesidad de un sesgo externo ni la adición de un segundo dispositivo fotoactivo. Este crecimento ofrece la oportunidad de generar hidrógeno tanto en el cátodo como en el ánodo, incrementando así la eficiencia global y el rendimiento de producción de hidrógeno por superficie activa del material. El silicio cristalino se ha consolidado como el material de referencia en la industria fotovoltaica debido a su abundancia, bajo costo y alta eficiencia en la conversión de energía solar a electricidad. Su banda prohibida de aproximadamente 1.
1 eV favorece una elevada densidad de corriente fotogenerada, alcanzando valores teóricos máximos cercanos a 43 mA/cm2 bajo iluminación estándar 1-sol (simulación solar). Sin embargo, la baja tensión fotovoltaica obliga a trabajar en configuraciones multijuntura o complementando con otros materiales fotoactivos de mayor banda para llegar a los voltajes requeridos para la oxidación del agua. La estrategia desarrollada consiste en la fabricación de fotoelectrodos de silicio con estructura de contacto trasero interdigitado (IBC). Esta configuración permite maximizar la corriente y mejorar el voltaje abierto, disminuyendo pérdidas ópticas y recombinatorias que afectan los diseños convencionales. Encapsulando este dispositivo con una lámina de vidrio y conectándolo a un sustrato de níquel recubierto de catalizador de platino sobre carbono grafitizado (PtC/Ni), se garantiza una alta actividad en la evolución de hidrógeno en el cátodo, además de protección electroquímica y mecánica para el silicio.
En paralelo, el ánodo está constituido por una matriz de hilos de cobre metálico especialmente preparada para aumentar la superficie activa y potenciar la reacción de oxidación del furfural. Este catalizador de cobre presenta un potencial de inicio muy bajo, cercano a 0 V vs. RHE, lo que reduce drásticamente el voltaje necesario en el sistema y su primea barrera de activación. La combinación de estos dos electrodos en un reactor electroquímico de dos compartimentos separados por una membrana de intercambio aniónico permite llevar a cabo simultáneamente la oxidación de furfural en el ánodo y la reducción de agua en el cátodo, ambas generando hidrógeno. El resultado es una producción dual de hidrógeno, aumentando el rendimiento solar efectivo y logrando tasas de producción de hidrógeno superiores a 1.
4 mmol h-1 cm-2, cuatro veces superiores al objetivo planteado inicialmente por el Departamento de Energía de Estados Unidos. Además de la notable mejora en eficiencia, esta técnica se beneficia de la producción simultánea de ácido furoico, un subproducto valioso que aporta valor agregado y genera una economía circular dentro del proceso, reduciendo costos y desperdicios. Por otra parte, el proceso no libera oxígeno, lo que evita problemas de manipulación y seguridad relacionados con la mezcla de gases combustibles. El impacto térmico también ha sido estudiado intensamente, demostrando que el contacto con el electrolito induce un efecto de enfriamiento en el fotoelectrodo de silicio, mitigando la disminución de voltaje causada por la temperatura elevada que suele generarse por la iluminación solar continua. Esto contribuye a mantener la eficiencia estable a lo largo del tiempo y garantiza mayor durabilidad del sistema.
Desde el punto de vista de sustentabilidad, el enfoque utiliza materias primas ampliamente disponibles y renovables como el furfural, derivado de residuos agrícolas y forestales, que en la actualidad se produce a cientos de miles de toneladas anuales y cuyo aumento en la demanda podría potenciar inversiones en su cadena de producción. Asimismo, el uso de silicio cristalino, tecnología ampliamente industrializada y económicamente asequible, facilita la escalabilidad y el acceso comercial. Los desafíos por delante incluyen mejorar la estabilidad del catalizador de cobre, que actualmente enfrenta procesos de oxidación parcial y pérdida de material por lixiviación, afectando su desempeño en largos períodos. Investigaciones están en marcha para recubrir o dopar el cobre con otros metales o polímeros redox que preserven su estructura y actividad. Finalmente, ampliar esta tecnología a otros aldehídos y biomoléculas es una proyección interesante, dadas las similitudes en los procesos electroquímicos y la abundancia de precursores orgánicos en el ambiente.
En síntesis, el acoplamiento de la oxidación de furfural para la producción de hidrógeno sin sesgo eléctrico externo utilizando fotoelectrodos de silicio cristalino representa un salto significativo en la tecnología de energías renovables. Esta innovación no solo supera barreras físicas y químicas históricamente asociadas al silicio en la separación espontánea del agua, sino que además integra la valorización de biomasa y fomenta un modelo circular donde la generación de combustibles limpios y productos químicos valiosos se realiza de manera simultánea y eficiente. El futuro de la energía limpia podría apoyarse en estos procesos integrados que conjugan materiales avanzados, catalizadores efectivos y recursos naturales renovables, encaminando al planeta hacia una transición energética real, rentable y sostenible.
