La producción eficiente y sostenible de hidrógeno (H2) es un desafío clave en la transición energética global hacia fuentes limpias y renovables. El hidrógeno se considera un vector energético fundamental para reemplazar los combustibles fósiles en diversas industrias, ofreciendo un combustible limpio y con alto poder calorífico. Sin embargo, la producción tradicional de hidrógeno, mayormente basada en reformado de gas natural, es intensiva en carbono y no satisface los requisitos ambientales actuales. Frente a este escenario, la fotoelectroquímica emerge como una solución prometedora para sintetizar hidrógeno usando luz solar, agua y biomasa, dando lugar a una alternativa ecológica con potencial de impacto global. Una de las barreras más importantes para avanzar en la tecnología fotoelectroquímica reside en la selección y diseño del fotoelectrodo adecuado.
El silicio cristalino (c-Si) destaca por su abundancia en la Tierra, bajo costo relativo y un pequeño band gap que permite la absorción eficiente de luz visible, lo que se traduce en una densidad de fotocorriente teóricamente muy elevada —más de 43 mA por centímetro cuadrado bajo iluminación solar estándar—. Sin embargo, un inconveniente crítico es su bajo fotovoltaje intrínseco, cercano a 0.6 voltios, insuficiente para lograr la división directa del agua, que requiere alrededor de 1.6 voltios debido principalmente a la oxidación de agua en el ánodo. Este desafío ha llevado históricamente a que los sistemas basados en c-Si requieran un sesgo externo para impulsar la producción de hidrógeno, incrementando la complejidad y el costo del proceso.
La investigación contemporánea ha explorado la conexión en serie de múltiples celdas o el uso de fotoelectrodos de amplio band gap como fotodetectores en tandem para aumentar el voltaje total, pero estos enfoques limitan significativamente la corriente operativa y no aprovechan plenamente la capacidad photocorriente del silicio simple. Una solución revolucionaria radica en sustituir la reacción de oxidación del agua por una reacción anódica de menor potencial, en particular la oxidación de aldehídos, como el furfural, un compuesto derivado de biomasa ampliamente producido y accesible. El furfural no solo es abundante, con una producción global superior a 400 mil toneladas anuales, sino que también ofrece la oportunidad de generar subproductos de alto valor, como el ácido furoico, usado en la fabricación farmacéutica, sabores y polímeros. Esta oxidación de furfural, que ocurre a potenciales mucho menores que la oxidación del agua, no solamente reduce el voltaje requerido para realizar la reacción anódica sino que además genera hidrógeno en el propio ánodo, por lo que se produce hidrógeno en ambos electrodos, incrementando la eficiencia del sistema. Al realizarse esta oxidación sobre un ánodo de cobre metálico, se garantizan las condiciones electroquímicas necesarias para el proceso a bajas tensiones, favoreciendo así la actividad catalítica.
El diseño tecnológico más eficiente consiste en un fotoelectrodo fabricado con silicio cristalino en una estructura de contacto trasero interdigitado (IBC), que reduce las pérdidas ópticas y eléctricas, reconocidas por mejorar significativamente tanto la densidad de corriente como el voltaje de circuito abierto del dispositivo. La encapsulación del fotoelectrodo con vidrio y un soporte de níquel protegido por catalizadores específicos como platino grafitizado optimiza la estabilidad frente a soluciones alcalinas y permite una transferencia electrónica eficaz. Adicionalmente, la inmersión del dispositivo en el electrolito ejerce un efecto de enfriamiento, importante para minimizar la pérdida de fotovoltaje que típicamente ocurre debido al aumento térmico bajo iluminación intensa. Esta refrigeración asegura que el fotoelectrodo opere próximo a sus condiciones máximas, preservando la eficiencia y productividad del sistema. El fotoelectrodo de c-Si modificado con catalizador de platino y níquel, en conjunto con un ánodo de alambre de cobre especialmente tratado, sostiene un proceso fotoelectroquímico que alcanza corrientes de operación superiores a 37 mA cm−2, con una eficiencia faradaica cercana al 200 % para la producción total de hidrógeno, considerando ambos electrodos.
El rendimiento operativo resulta en una tasa de producción de hidrógeno de aproximadamente 1.40 mmol h−1 cm−2 bajo iluminación estándar, lo que supera en más de cuatro veces el objetivo establecido por el Departamento de Energía de Estados Unidos para la comercialización efectiva del hidrógeno solar. Esta proeza técnica no solo señala un avance crucial hacia sistemas de producción de hidrógeno sin sesgo ni necesidad de dispositivos complementarios, sino que introduce una vertiente de economía circular donde la biomasa es valorada y transformada simultáneamente en combustibles limpios y químicos de valor agregado. Además, la posibilidad de utilizar otros aldehídos derivados de biomasa amplia el rango de aplicaciones y materias primas potenciales para la producción sostenible de hidrógeno. Las ventajas ecosistémicas de esta tecnología son significativas.
La sustitución parcial del agua por biomasa en la reacción anódica reduce drásticamente la demanda energética y fotovoltaica, garantiza una mejor integración con los sistemas solares de silicio y otorga un doble beneficio al generar hidrógeno en ambos electrodos. En términos económicos, la obtención simultánea de ácido furoico mejora la viabilidad financiera del proceso y puede incentivar el desarrollo y escalabilidad industrial. No obstante, el camino hacia la implementación comercial implica superar retos relacionados con la estabilidad y longevidad del catalizador de cobre, que tiende a oxidarse y lixiviar bajo condiciones operativas extensas. Se están explorando estrategias para mejorar esta estabilidad, incluyendo el uso de polímeros redox y dopajes metálicos secundarios, con la esperanza de extender la vida útil y reducir costos de mantenimiento. La disponibilidad y escalabilidad de la provisión de furfural también constituye un aspecto clave.
Aunque actualmente la producción anual de furfural es menor comparada con la demanda global de hidrógeno, la biomasa lignocelulósica, fuente principal para el furfural, es extremadamente abundante y representa una reserva renovable sustancial. Se desarrollan tecnologías innovadoras para aumentar la eficiencia y cantidad de conversión de biomasa a furfural, lo que hace plausible una futura sinergia entre el aumento en demanda de hidrógeno verde y la expansión de la producción de biomasa procesada. Además, el avance en la caracterización y fabricación de estructuras avanzadas de silicio con contactos traseros interdigitados, junto con la integración de catalizadores de alta actividad, asegura un camino sólido hacia dispositivos comerciales de alta productividad. La optimización de la interfaz semiconductor-electrolito, la conservación de la integridad del fotoelectrodo y las estrategias para mitigar pérdidas ópticas son elementos esenciales que ya se están abordando y perfeccionando. En conclusión, el acoplamiento de la oxidación de furfural para la producción de hidrógeno usando fotoelectrodos de silicio cristalino representa una innovación tecnológica líder en el campo de la energía renovable.
Esta estrategia supera las limitaciones tradicionales de la fotoelectroquímica basada en agua y maximiza el aprovechamiento de la alta fotocorriente del silicio, dando lugar a un proceso eficiente, sostenible y económicamente atractivo. A medida que se solucionen los desafíos asociados a la longevidad catalítica y la escalabilidad de la biomasa, este método podría transformar la manera en que la humanidad produce hidrógeno, ayudando a mitigar el cambio climático y a garantizar una energía limpia para el futuro.
