La producción de energía limpia es uno de los mayores desafíos de nuestro tiempo. Las fuentes tradicionales de energía, como el petróleo, el gas natural y el carbón, tienen un gran impacto ambiental debido a sus emisiones de dióxido de carbono (CO₂) y otros contaminantes como los óxidos de nitrógeno (NOX), óxidos de azufre (SOX) o el monóxido de carbono (CO).
Frente a esta realidad, la búsqueda de tecnologías alternativas sostenibles basadas en diferentes tipos de catalizadores ha cobrado protagonismo.
Los catalizadores son sustancias que aceleran las reacciones químicas sin consumirse en el proceso y representan una pieza clave en el desarrollo de tecnologías destinadas a la producción de energía con un menor impacto medioambiental. Son imprescindibles, por ejemplo, en la generación de “hidrógeno verde” obtenido por electrólisis del agua, empleando el excedente eléctrico de fuentes renovables (solar, eólica e hidráulica) y que puede ser empleado como materia prima o como transportador de energía. También son fundamentales en la producción de combustibles sintéticos y biocombustibles a partir de la captura de (CO₂). En este contexto, se están llevando a cabo grandes esfuerzos en los últimos años para la mejora de los catalizadores, tanto en su eficiencia como en su coste, para producir energías más limpias. Algunos de los ejemplos más destacados se comentan a continuación.
Catalizadores para la generación de “Hidrógeno verde”: El vector energético del futuro.
El hidrógeno es el elemento más ligero de la tabla periódica, su átomo está constituido por un protón y un electrón y es estable en forma de molécula diatómica (H2). En condiciones normales, el H2 está en estado gaseoso. Sin embargo, a pesar de ser uno de los elementos más abundantes en la tierra, se suele encontrar enlazado a otros elementos como el carbono (moléculas orgánicas) o el oxígeno, formando moléculas de agua (H2O). A diferencia de los combustibles fósiles, no puede obtenerse directamente de la naturaleza, por eso se denomina vector energético (como la electricidad) y, por tanto, tiene que ser generado. Cabe aclarar que, en los últimos años, la exploración de nuevos yacimientos de hidrógeno natural ha cobrado gran relevancia debido a su potencial como fuente de energía limpia. El hidrógeno natural, también conocido como hidrógeno geológico, se genera de manera espontánea en forma gaseosa en el subsuelo terrestre, a través de procesos naturales como la interacción de agua con rocas ricas en minerales de hierro.
El “hidrógeno verde” es considerado una pieza clave debido a su versatilidad (puede ser producido a nivel local, en instalaciones de diferente envergadura y en localizaciones para su uso directo) y al hecho de que solo genera agua como subproducto cuando se utiliza para generar energía eléctrica en celdas de combustible. No obstante, producirlo de manera sostenible es un reto, pues más del 90 % del hidrógeno actual proviene de la reacción de reformado con vapor de hidrocarburos, lo cual genera grandes cantidades de CO₂. Por lo tanto, es necesario desarrollar métodos sostenibles para la producción de hidrógeno. La electrólisis del agua es un proceso electroquímico mediante el cual se descompone la molécula de agua (H₂O) en oxígeno (O₂) e hidrógeno (H₂) al pasar una corriente eléctrica. Cuando la electricidad empleada proviene de fuentes renovables se obtiene el denominado hidrógeno limpio o "hidrógeno verde". Sin embargo, se requieren catalizadores eficientes y económicos que faciliten tanto la reacción de evolución de hidrógeno (Hydrogen Evolution Reaction, HER) como la reacción evolución de oxígeno (Oxygen Evolution Reaction, OER).
En el caso de la reacción de evolución de hidrógeno (HER), tradicionalmente se han empleado catalizadores basados en metales preciosos como el platino (Pt), altamente efectivos pero costosos. Hecho por el cual se han explorado electrocatalizadores de hidróxido de hierro-níquel (Fe-Ni), más económicos por estar basados en metales abundantes en la corteza terrestre, que muestran alta eficiencia y durabilidad, reduciendo significativamente los costos de operación. Estos han demostrado un rendimiento comparable al de los metales preciosos, con una mayor resistencia a la corrosión y pueden operar en agua de mar, anticipándose así a situaciones de escasez. Alternativamente, el disulfuro de molibdeno (MoS₂) ha ganado interés como una alternativa económica. En este caso, los “nanosheets” de MoS₂, que son láminas ultrafinas de disulfuro de molibdeno que presentan una superficie activa mejorada, han demostrado ser altamente efectivos en experimentos de laboratorio, lo que sugiere un potencial significativo para aplicaciones comerciales.
Paralelamente, para la reacción de evolución de oxígeno (OER), los metales como el níquel (Ni) y el cobalto (Co), en combinación con el hierro (Fe), han mostrado una buena actividad catalítica, siendo materiales mucho más económicos que los catalizadores de iridio (Ir) y rutenio (Ru) habitualmente utilizados. Cabe resaltar los electrocatalizadores basados en fosfatos con Co-Fe y soportados sobre óxido de grafeno reducido (rGO), los cuales han mostrado una mayor durabilidad y un menor coste, abaratando notablemente el proceso de ruptura del agua.
Catalizadores para la captura y conversión de CO₂
El CO2 es el principal gas causante del efecto invernadero. Es por ello por lo que su captura y posterior conversión en productos de valor añadido es una estrategia doblemente beneficiosa: se reducen las emisiones y se reutiliza como materia prima. Actualmente, existen diferentes estrategias catalíticas, abriendo oportunidades para crear una economía más circular y sostenible. Una de ellas consiste en emplear la electricidad derivada de fuentes renovables para llevar a cabo la conversión electrocatalítica de CO2, la cual permite la obtención de compuestos como metano (CH4), etileno (CH2=CH2), metanol (CH3OH), y monóxido de carbono (CO), todos ellos de gran valor industrial. Por ejemplo, Investigadores de la Universidad Politécnica de Hong Kong (China) y la Universidad de Oxford (Reino Unido) han desarrollado un sistema electrocatalítico de membranas con nanopartículas de cobre (Cu), aumentando la eficiencia en la conversión de (CO2) a (CH2=CH2) en agua pura. Paralelamente, en el MIT, Instituto Tecnológico de Massachusetts (USA), han conseguido recientemente la electroconversión de CO2 en metanol (CH3OH) utilizando un catalizador molecular de cobalto (Co) inmovilizado.
Catalizadores para la producción de combustibles sintéticos a partir de CO2
Los combustibles líquidos sintéticos, se crean combinando hidrógeno (H2) de origen renovable con (CO2) y representan una solución viable para sectores como el transporte aéreo y marítimo, donde las alternativas eléctricas son menos prácticas. En este contexto, el proceso de Fischer-Tropsch (FT) es un método bien establecido para convertir gas de síntesis (una mezcla de CO y H2) en líquidos combustibles. Sin embargo, la eficiencia y sostenibilidad de este proceso depende en gran medida de los catalizadores utilizados. Tradicionalmente, el proceso FT emplea catalizadores a base de Fe o Co, pero las investigaciones actuales están centradas en mejorar estos materiales para reducir el consumo de energía y aumentar la producción de combustibles de alta calidad.
Biocombustibles: Optimización a través de catalizadores innovadores
La producción de biocombustibles a partir de biomasa requiere catalizadores que mejoren la eficiencia y reduzcan los costos. Tecnologías basadas en zeolitas y microorganismos están marcando nuevas direcciones en este campo. Las zeolitas, minerales microporosos con alta estabilidad, se utilizan en la transesterificación de aceites vegetales para producir biodiésel. Estudios recientes han mostrado que, al modificar estas estructuras con metales como calcio o potasio, se mejora su actividad catalítica, reduciendo el impacto ambiental del proceso y generando biodiésel de alta calidad a partir de aceites residuales. Por otro lado, las cianobacterias, microorganismos capaces de realizar fotosíntesis, están siendo estudiadas para convertir CO₂ y agua en combustibles utilizando luz solar. Aunque esta tecnología se encuentra en sus primeras etapas, los avances en biotecnología y biología sintética podrían transformar estos "catalizadores vivos" en una solución viable para la producción de energía limpia.
Los avances en catalizadores están transformando las posibilidades de acceder a formas de energía más limpias. Desde la electrólisis del agua y la captura de CO₂ hasta la producción de combustibles sintéticos y biocombustibles, la innovación en materiales está haciendo estas tecnologías más accesibles, eficientes y sostenibles. Aunque aún existen desafíos, como la escalabilidad y la durabilidad, los progresos actuales nos acercan cada vez más a un futuro energético más limpio y seguro.
Referencias específicas, como el uso de níquel-hierro para la electrólisis o la aleación de cobalto-cobre en combustibles sintéticos, ilustran cómo los avances científicos están revolucionando la producción y almacenamiento de energía. La clave para el éxito radica en continuar explorando materiales novedosos, mejorar su eficiencia y reducir sus costos, creando así un sistema energético compatible con las demandas ambientales y económicas del siglo XXI.
Manuel Iglesias Alonso
Doctor en Química
Gregorio Guisado Barrios
Doctor en Química
