Un equipo colaborativo de investigadores del Imperial College de Londres y la Universidad Queen Mary de Londres ha logrado un hito importante en la tecnología de energía sostenible, como se detalla en su última publicación en Nature Energy .
por Queen Mary, Universidad de Londres
El estudio revela un enfoque pionero para aprovechar la luz solar para una producción de hidrógeno eficiente y estable utilizando materiales orgánicos rentables, transformando potencialmente la forma en que generamos y almacenamos energía limpia.
La investigación aborda un desafío de larga data en el desarrollo de sistemas de conversión de energía solar a hidrógeno: la inestabilidad de materiales orgánicos como polímeros y pequeñas moléculas en el agua, y las ineficiencias causadas por pérdidas de energía en interfaces críticas. Para abordar esto, el equipo de investigación introdujo una arquitectura de dispositivo multicapa que integra una capa fotoactiva orgánica con una lámina protectora de grafito funcionalizada con un catalizador de níquel-hierro.
Este diseño innovador logró una combinación sin precedentes de alta eficiencia y durabilidad, estableciendo un nuevo punto de referencia para el campo.
«Nuestro trabajo demuestra que es posible lograr una división del agua solar estable y de alto rendimiento utilizando materiales orgánicos escalables y de bajo coste», afirmó el Dr. Flurin Eisner, profesor de Energía Verde en la Universidad Queen Mary de Londres, quien dirigió el desarrollo de las capas fotoactivas orgánicas durante el proyecto.
Los materiales orgánicos son altamente adaptables en cuanto a sus propiedades, como la luz que absorben y sus propiedades eléctricas, lo que significa que pueden ser una plataforma extremadamente versátil sobre la cual construir diversas maneras de convertir la luz solar en combustibles (como el hidrógeno) o incluso sustancias químicas, emulando la fotosíntesis natural de las plantas. Esto abre nuevas y emocionantes vías para la producción sostenible de combustibles y sustancias químicas.
En el estudio, el nuevo dispositivo alcanzó una densidad de fotocorriente superior a 25 mA cm⁻² a +1,23 V en comparación con el electrodo de hidrógeno reversible para la oxidación del agua (la mitad de la reacción para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno mediante energía solar). Esto representa un avance significativo, superando los sistemas anteriores. A diferencia de los diseños anteriores, que se degradaban en cuestión de horas, el nuevo sistema mostró estabilidad operativa durante días. El diseño es compatible con una amplia gama de materiales orgánicos, lo que ofrece flexibilidad para futuras innovaciones en energía solar
La descomposición solar del agua no asistida en una celda PEC mediante un ánodo orgánico en tándem IPV se confirmó mediante la formación de burbujas de O₂ en el ánodo y de H₂ en el contraelectrodo. Crédito: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01736-6
Para lograr estos resultados, el equipo empleó una capa fotoactiva orgánica de heterojunción masiva, que integraba una lámina de grafito autoadhesiva funcionalizada con un catalizador de oxihidróxido de níquel-hierro con abundante contenido en tierra. El grafito no solo protegió la capa fotoactiva de la degradación inducida por el agua, sino que también mantuvo conexiones eléctricas eficientes.
«Más allá de la eficiencia y estabilidad récord de nuestros dispositivos orgánicos, nuestros resultados desentrañan la contribución de los diferentes componentes en la degradación del dispositivo, lo cual ha sido un desafío significativo en el campo», afirmó el Dr. Matyas Daboczi, primer autor del estudio en el Departamento de Ingeniería Química del Imperial College (actualmente investigador Marie Skłodowska-Curie en el Centro HUN-REN de Investigación Energética e investigador visitante en el Departamento de Ingeniería Química del Imperial College).
Creo que nuestros conocimientos y directrices serán valiosos para seguir mejorando la estabilidad y el rendimiento de estos dispositivos fotoelectroquímicos orgánicos en aplicaciones prácticas.
El potencial de este avance se demostró aún más con dispositivos de separación completa de agua, capaces de generar hidrógeno a partir de agua y luz sin necesidad de electricidad adicional. Lograron una eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno del 5 %, una hazaña que podría acelerar significativamente la adopción de, por ejemplo, tecnologías de producción de hidrógeno fuera de la red eléctrica.
El Dr. Salvador Eslava, académico principal del estudio en el Departamento de Ingeniería Química del Imperial College, afirmó: «Este resultado representa una mejora significativa en el rendimiento de los dispositivos fotoelectroquímicos orgánicos, alcanzando eficiencias récord de conversión de energía solar a hidrógeno. El enfoque aprovecha las ventajas de las heterojunciones orgánicas en masa, que ofrecen impresionantes fotocorrientes, fotovoltajes, abundancia de elementos y facilidad de procesamiento, y las aplica a los electrodos de las celdas fotoelectroquímicas».
Se espera que los resultados del estudio impulsen nuevos avances en este campo, allanando el camino para aplicaciones prácticas. El equipo busca aprovechar esta base, explorando mejoras en la estabilidad de los materiales y escalando la tecnología para su uso industrial.
Más información: Matyas Daboczi et al., Oxidación solar mejorada del agua y desdoblamiento no asistido del agua mediante capas fotoactivas orgánicas de heterojunción en masa protegidas con grafito, Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01736-6
