La transición hacia una producción sostenible de energía y productos químicos requiere más que la generación de electricidad renovable: exige también métodos eficientes de almacenamiento de energía y un mejor aprovechamiento de los recursos renovables. El proyecto de investigación europeo PeCATHS aborda estos desafíos mediante el desarrollo de rutas fotoelectrocatalíticas innovadoras que combinan el almacenamiento de hidrógeno con la valorización de moléculas derivadas de la biomasa.

En el marco de este esfuerzo multidisciplinar, el Instituto de Materiales Avanzados (INAM) de la Universitat Jaume I (UJI) lidera la coordinación del proyecto, al tiempo que desarrolla componentes clave del sistema electrocatalítico. La investigación del INAM/UJI se centra en un principio fundamental de PeCATHS: ambos electrodos pueden aportar productos valiosos al proceso global.

En lugar de utilizar la reacción convencional de descomposición del agua, en la que un electrodo produce hidrógeno y el otro oxígeno, PeCATHS explora una estrategia diferente. En un electrodo, una molécula puede hidrogenarse y actuar así como un portador orgánico líquido de hidrógeno (LOHC). En el otro, un compuesto derivado de la biomasa puede oxidarse para producir un producto químico de valor. El resultado es un sistema electroquímico en el que la energía renovable puede contribuir simultáneamente al almacenamiento de hidrógeno y a la producción sostenible de productos químicos.

Uno de los desafíos asociados al uso del hidrógeno a gran escala es su almacenamiento y transporte. El hidrógeno gaseoso tiene una densidad muy baja y requiere compresión a alta presión o una licuefacción que consume mucha energía. Los LOHC ofrecen un enfoque alternativo: en lugar de almacenar el hidrógeno en estado gaseoso, este se incorpora a los enlaces químicos de una molécula orgánica. El líquido resultante puede manipularse y transportarse con mayor facilidad, y el hidrógeno puede liberarse posteriormente mediante una reacción inversa.

En el marco de PeCATHS, la investigación del INAM/UJI estudia pares de amina/nitrilo como sistemas LOHC, utilizando el par benzonitrilo/bencilamina como modelo. En este sistema, la reducción electroquímica de benzonitrilo (BZN) a bencilamina (BZA) permite almacenar hidrógeno químicamente en la molécula orgánica líquida. Este enfoque ofrece la oportunidad de vincular directamente el almacenamiento de hidrógeno con la electricidad renovable. En lugar de producir hidrógeno primero para luego utilizarlo en la hidrogenación de un portador orgánico, el proceso electroquímico permite transferir los equivalentes de hidrógeno necesarios directamente a la molécula portadora.

La segunda parte del concepto tiene lugar en el electrodo opuesto, donde la biomasa se transforma en un producto valioso. En el INAM/UJI, se ha dedicado un esfuerzo considerable a la investigación y el diseño de ánodos para la oxidación electroquímica del 5-hidroximetilfurfural (HMF). El HMF es una molécula plataforma derivada de la biomasa que puede convertirse en ácido 2,5-furandicarboxílico (FDCA), un importante bloque de construcción renovable con aplicaciones en la producción de polímeros y otros productos químicos. Sustituir la reacción convencional de desprendimiento de oxígeno por la oxidación de biomasa ofrece varias ventajas potenciales. El desprendimiento de oxígeno es cinéticamente exigente y requiere un aporte energético considerable, mientras que la oxidación de moléculas orgánicas adecuadas puede llevarse a cabo con sobrepotenciales menores, generando al mismo tiempo un producto químico útil. De este modo, la reacción anódica deja de ser una mera contrapartida necesaria de la producción de hidrógeno para convertirse en una fuente de valor añadido por sí misma. Este es un aspecto clave del concepto PeCATHS. Mediante un diseño cuidadoso de los electrocatalizadores y de las condiciones de reacción, el proyecto busca aprovechar de manera productiva ambos lados de la celda electroquímica.

Por consiguiente, durante los primeros 18 meses de PeCATHS, el equipo del INAM/UJI ha trabajado en dos desafíos complementarios: el desarrollo de cátodos para la reducción de benzonitrilo y de ánodos para la oxidación de HMF. La investigación ha avanzado desde el diseño y la evaluación de los electrodos individuales hasta su integración en una celda electroquímica de dos compartimentos. Este paso es especialmente importante, ya que demostrar cada reacción por separado no basta para validar el concepto global; ambos procesos deben ser capaces de operar conjuntamente bajo condiciones electroquímicas compatibles.

En experimentos preliminares, el sistema electroquímico produjo bencilamina y FDCA, demostrando la viabilidad de acoplar la reducción del precursor LOHC de base nitrilo con la oxidación del sustrato derivado de biomasa. Tras siete horas de reacción, se obtuvieron rendimientos preliminares de aproximadamente el 90 % para la bencilamina y el 100 % para el FDCA. Estos resultados representan un hito importante para el proyecto y, sobre todo, aportan la prueba de concepto de que la estrategia electroquímica en tándem propuesta puede funcionar según lo previsto.

La importancia de estos resultados trasciende la producción de dos productos químicos individuales. Los experimentos demuestran un nuevo enfoque sobre la conversión de energía electroquímica: el valor del proceso puede distribuirse entre ambos electrodos. En el cátodo, el benzonitrilo se reduce a bencilamina, generando una molécula líquida capaz de almacenar hidrógeno por vía química. En el ánodo, el HMF se oxida a FDCA, transformando una materia prima derivada de la biomasa en un producto de mayor valor. Esta combinación da lugar a una forma de hidrogenación por transferencia global, en la que los equivalentes de hidrógeno generados durante el proceso de oxidación se acoplan eficazmente al proceso de reducción dentro del mismo sistema electroquímico. En lugar de considerar que la reacción de un electrodo sirve meramente de apoyo a la del otro, PeCATHS busca aprovechar ambas transformaciones simultáneamente.

Esto resulta especialmente atractivo desde una perspectiva de sostenibilidad. El enfoque conecta tres objetivos importantes: el uso de energía renovable, el almacenamiento de energía química y la valorización de la biomasa.

El funcionamiento exitoso del sistema integrado constituye un logro importante para la primera etapa de PeCATHS. Demuestra que los principios químicos fundamentales propuestos por el proyecto pueden implementarse en una celda electroquímica y sienta una base sólida para la siguiente fase de investigación.

El desafío actual consiste en pasar de la prueba de concepto a un mayor rendimiento, estabilidad y escalabilidad. Los trabajos futuros se centrarán en optimizar los materiales de los electrodos y las condiciones de reacción, mejorar la selectividad y la eficiencia energética, comprender los mecanismos que rigen ambas reacciones y, finalmente, integrar los componentes electrocatalíticos con las tecnologías fotoelectroquímicas del proyecto.

Escrito por el equipo del INAM