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Catalizadores sustentables: cómo las plantas y las nanopartículas metálicas están ayudando a producir hidrógeno de manera sustentable

Autor: David Leal
2 de septiembre de 2024

Jesús Muñiz (Fig. 1), investigador del Instituto de Energías Renovables de la UNAM (IER-UNAM), cuya área de especialización es la química cuántica computacional enfocada a materiales con aplicaciones en energías renovables y almacenamiento de energía (1) , junto con un equipo internacional de personas científicas han logrado avances importantes en el estudio de materiales para la producción de hidrógeno verde (2) .

El hidrógeno es un elemento que tiene muchas aplicaciones debido a sus propiedades como combustible limpio (cuando el hidrógeno se quema o se utiliza en una celda de combustible para generar electricidad, el único subproducto es agua, H₂O), portador de energía y reactivo químico. A diferencia de otras formas de producción de hidrógeno, el hidrógeno verde se genera a través de la electrólisis del agua utilizando electricidad proveniente de fuentes renovables de energía, como la solar, eólica, hidroeléctrica o geotérmica. En su estudio, utilizaron un tipo especial de sílice porosa biogénica (un material derivado de plantas) como soporte para nanopartículas de platino (Pt) y plata (Ag). Esta combinación de materiales que funcionan como catalizador (sustancia que ayuda a que una reacción ocurra más rápido o con menos energía) mostró un excelente rendimiento en la producción de hidrógeno, incluso con una cantidad muy baja de platino, lo que lo hace más económico y sostenible.

La generación de hidrógeno de manera sostenible tiene muchos retos, siendo uno de ellos la eficiencia; es decir, se busca que el valor energético y económico del hidrógeno producido sea mayor a la energía y recursos empleados para su obtención.

El secreto del éxito del trabajo del Dr. Muñiz y sus colegas radica en la combinación de experimentos y simulaciones por computadora para optimizar las propiedades del material y mejorar su eficiencia. Este avance podría tener un gran impacto en el desarrollo del hidrógeno verde, acercándonos un paso más a un futuro libre de combustibles fósiles.

Les dejamos con una versión resumida de la agradable charla que tuvimos al respecto.

Jesús, ¿por qué es importante el hidrógeno y por qué es relevante estudiar cómo producirlo de manera eficiente?

La importancia de investigarlo radica en encontrar formas para producirlo que sean más eficientes. Nuestra área de estudio nos permite entenderlo y desarrollar procesos que usen materiales amigables con el medio ambiente.

¿Qué los llevó a elegir sílice porosa biogénica como soporte para las nanopartículas de Pt y Ag en este estudio?

La sílice porosa biogenica (es decir, el óxido de silicio poroso) es un muy buen soporte, lo que significa que cuenta con un gran área superficial que puede ser funcionalizada (modificada) fácilmente para poder fijar los catalizadores que nos permiten mejorar la producción de hidrógeno. El material usado en este trabajo, en particular, proviene de fuentes que podemos encontrar en la naturaleza, por eso lo llamamos biogénico, particularmente aquí, en el estado de Morelos. Como diferentes ejemplos con características distintas, usamos tres fuentes de origen vegetal que tienen alta capacidad de almacenar sílice: bambú (Bambusa vulgaris Schrad), cáscara de arroz (Oryza sativa) y cola de caballo (Equisetum arvense). Una vez calcinados, obtenemos un material poroso con gran área superficial para poder adherir los catalizadores. En este sentido, el trabajo está encaminado hacia la sustentabilidad al ser una oportunidad de aprovechar materiales disponibles en la naturaleza.

¿Cómo influye la reducción 𝑖𝑛-𝑠𝑖𝑡𝑢, como lo mencionan en su trabajo, de Pt sobre la sílice biogénica en la eficiencia del catalizador para la producción de hidrógeno?

Una vez que tenemos nuestro soporte, la sílice, podemos modificarlo para  que se adhieran las nanopartículas metálicas. Lo que hicimos fue agregar nanopartículas de Ag y Pt. Por sí solo, el Pt es de los mejorescatalizadores que se conocen, es excelente. Pero su principal desventaja es que es muy caro y su obtención es muy contaminante. Entonces, nuestra intención es buscar una proporción menor de Pt o,  incluso, sustituirlo, por materiales que sean más accesibles económicamente para obtener un resultado similar.

Experimentamos con diferentes configuraciones de nanopartículas: solamente Pt, solamente Ag y una mezcla de estos dos metales. Los resultados experimentales arrojan que únicamente con el Pt se obtienen mejores producciones de hidrógeno; pero de acuerdo con los estudios teóricos mediante simulación por computadora, observamos también que podemos tener resultados muy similares a utilizar mezclas de Pt y Ag. No es posible superar el rendimiento de usar sólo Pt, pero podemos lograr eficiencias muy cercanas. Es decir, podemos usar un material más económico con resultados casi idénticos a usar solamente Pt.

Para nuestras simulaciones por computadora, usamos mecánica cuántica al nivel de la teoría de funcionales de la densidad. Podemos conocer cómo se comportan los electrones en estos materiales y cómo influye este comportamiento para lograr el proceso de catálisis; es decir, para conocer cómo se producirá el hidrógeno en el catalizador que es combinación del óxido de silicio y las nanopartículas metálicas. Con esta metodología lo que hacemos es validar lo que observamos en el experimento. 

¿Cuál dirías que es el hallazgo más importante de su estudio?

Lo más destacable es que demostramos teórica y experimentalmente que podemos usar materiales más baratos y menos contaminantes que otros para producir hidrógeno de manera eficiente. Otro dato importante es que nuestro material demostró ser estable; esto es que se puede usar para varios ciclos de producción de hidrógeno sin que se deteriore.

¿Qué implicaciones prácticas tienen o podrían tener los resultados de este estudio para la industria de producción de hidrógeno a gran escala?

La idea es que en un futuro no muy lejano, este tipo de materiales se puedan implementar en un proceso industrial, es decir, a gran escala, con el fin de asegurar la producción del hidrógeno mediante materiales y procesos más sustentables que los que se usan actualmente.

Vemos que colaboraste con muchas personas de diferentes instituciones, ¿cómo fue trabajar con un grupo multidisciplinario y multiinstitucional?

Este fue un estudio desarrollado por diversos grupos de investigación. Aparezco como único investigador del IER, pero en el equipo participaron dos personas que hicieron estancias postdoctorales aquí en el Instituto y con quienes inicié este trabajo teórico. Se trata de Abdel Hachimi y de Christian Celaya, quienes actualmente están en el Instituto de Investigaciones en Química de la Universidad de La Rioja y en el Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la UNAM, respectivamente. Por otro lado, la parte experimental la lidera Vivechana Agarwal y Naveen Kumar Reddy Bogireddy, personas investigadoras de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM) y del Instituto de Ciencias Físicas (Campus Morelos-UNAM), respectivamente; son quienes coordinaron los esfuerzos para la síntesis y estudio del material con otros grupos en Estados Unidos, junto con Mauricio Terrones y su grupo de investigación.

Para este estudio, estuvimos trabajando la parte experimental y la teórica a la par. Fue un trabajo de algunos años. Experimentalmente, se proponían diferentes métodos de reacción, variando las propiedades de las nanopartículas (platino puro, plata pura y las combinaciones), y diseñamos modelos teóricos similares a estos. Entonces, lo que se podía ver en el laboratorio se podía explicar casi de manera inmediata con la teoría.

Comenzamos este trabajo desde tiempos de la pandemia de COVID-19. En ese entonces, sólo éramos dos grupos de trabajo: el de la UAEM y el del IER. En esa época, por ejemplo, Naveen hacía sus estudios de doctorado en la UAEM, y ahora trabaja en el Instituto de Ciencias Físicas como investigador. Gracias a que Naveen hizo una estancia en la Universidad del Estado de Pennsylvania, hizo lazos de colaboración con personas que actualmente trabajan en otras instituciones en otras partes del mundo. Por interacciones de este tipo es que hemos formado este grupo multidisciplinar y multi-institucional para realizar este y otros estudios.

Coincidir en horarios para conversar ha sido todo un reto, debido a las diferencias de horarios. Nuestras videollamadas tienen que ser muy temprano o muy tarde en horario del Centro de México. Hemos tenido que tener mucha paciencia.

¿Cuáles son los próximos pasos en su investigación para mejorar aún más la eficiencia y la estabilidad de estos catalizadores?

Estamos trabajando otras líneas de investigación entre el IER, ICF y la UAEM. Queremos explorar otros materiales que vienen de la biomasa y hacer estudios teóricos que semejen más a lo que vemos en el laboratorio. Por ejemplo, en las nanopartículas hay millones de átomos, aunque sean tan pequeñas, mientras que nuestra simulación consiste de decenas de átomos; es decir, es un modelo simplificado, lo que no significa que sea inadecuado, ya que los resultados entre experimentos y simulaciones son muy similares. Sin embargo, para estudiar la estabilidad de este y otros catalizadores, necesitamos emplear otras teorías y modelos que nos permitan simular mayor número de átomos.

Actualmente, estamos estudiando materiales para sensores de contaminantes, usando silicio poroso. Tenemos un trabajo enviado y otro en revisión para su publicación acerca de la detección de contaminantes en aguas residuales a nivel experimental y teórico, así como para la detección de paracetamol y cafeína en el ambiente, que son considerados contaminantes también.

Esperamos poder compartirles pronto cómo nos fue con estos resultados.

Gracias, Jesús, nos has explicado mucho hoy. Mi guion se terminó, pero, si gustas agregar algo más, adelante.

Solo me gustaría agregar que estos esfuerzos multidisciplinarios nos permiten construir el conocimiento y entender los fenómenos de la naturaleza. Muchas veces haces esfuerzos aislados sin saber que el o la colega del cubículo de al lado hace cosas muy similares. Entonces, en ocasiones, mediante pláticas de pasillo, podemos acoplarnos para hacer estudios en conjunto. Curiosamente, esta colaboración con la UAEM la consolidaron Abdel y Naveen cuando eran alumnos del IER y la UAEM, respectivamente. Ellos se conocieron porque rentaban en el mismo edificio; entonces, pensaron en conjuntar lo teórico con lo experimental, y es así como este trabajo entre instituciones se echó a andar. Desde entonces, hemos colaborado durante varios años.

¡Gracias, Jesús!

¡A ti! 


(1) Para conocer un poco más del Dr. Muñiz, pueden visitar: https://www.ier.unam.mx/academicos/jms/
(2) N. K. Bogireddy et al., «Exploring PtAg onto silanized biogenic silica as an electrocatalyst for H 2 evolution: A combined experimental and theoretical investigation», Journal of Colloid and Interface Science, Volume 677, Part B, 2025, Pp. 271-283, https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.07.157.

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Fig. 1. Jesús Muñiz Soria, investigador del IER-UNAM

Fig. 2. a) Representación esquemática del proceso paso a paso involucrado en la fabricación de nanopartículas metálicas depositadas sobre SiO2 poroso biogénico mediante cálculos experimentales y de teoría de funcionales de la densidad (DFT). Caracterización de tres híbridos del SiO2 con depósitos de nanopartículas de Pt utilizando b) espectros de difracción de rayos X (XRD) de las tres muestras híbridas diferentes en las que se sintetizó con sales de Pt-Ag en una proporción molar de 1:3 junto con dos concentraciones diferentes de sal de Pt utilizando EMSiO2 (sílice a partir de cola de caballo). c) - e) Imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) que confirman la presencia de pequeñas nanopartículas de Pt y Ag bien dispersas e inmovilizadas sobre sustratos de SiO2 poroso biogénico.
Imagen tomada del mencionado trabajo de N.K. Bogireddy et al., con licencia de Elsevier número 5861151373916

Video recomendado sobre hidrógeno verde

Agradecimientos

Al Dr. Jesús Muñiz, por el tiempo brindado para esta charla y por la revisión técnica de este texto.
A la Dra. Vivechana Agarwal, por la revisión técnica de este texto.

Uso interno

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