Un equipo de investigación de la Universidad Nacional de Taiwán, dirigido por el profesor Chih-Jung Chen, ha desarrollado una plataforma electroquímica innovadora que permite convertir de manera eficiente la biomasa en productos químicos de alto valor, al tiempo que genera hidrógeno como combustible. Este avance se realiza sin recurrir a electrolitos convencionales o membranas de intercambio iónico, lo que representa un paso significativo hacia la sostenibilidad en la producción química y las tecnologías de energía limpia.
Un sistema revolucionario
El estudio, publicado en el Chemical Engineering Journal, presenta un sistema denominado «reservorio redox» (RR), que desacopla la oxidación del 5-hidroximetilfurfural (HMF), un compuesto clave derivado de la biomasa, de la reacción de evolución de hidrógeno (HER). Al separar estas dos reacciones tanto espacial como temporalmente, se minimizan las reacciones secundarias no deseadas y se permite un mayor control sobre cada proceso.
Tradicionalmente, la oxidación de HMF se realiza en electrolitos altamente alcalinos para mejorar las tasas de reacción. Sin embargo, estos entornos suelen desencadenar reacciones secundarias no deseadas, como la disproportionación de Cannizzaro y la formación de huminas, que reducen el rendimiento del producto y la eficiencia del carbono. Además, el proceso catódico de HER puede desestabilizar aún más las moléculas de HMF, provocando pérdidas significativas de carbono.
Para afrontar estas limitaciones, los investigadores diseñaron un electrodo RR reutilizable compuesto de hidróxido de níquel (NiOOH), que actúa como un oxidante en estado sólido. En agua pura, el RR oxida químicamente el HMF sin necesidad de sales electrolíticas o voltajes externos, transformándose en hidróxido de níquel [Ni(OH)2]. Esta forma reducida del RR puede ser regenerada electroquímicamente durante el proceso de HER, completando así el ciclo redox.
El concepto es similar al almacenamiento por bombeo de energía, pero aplicado a una escala microscópica. «La energía se almacena electroquímicamente en el electrodo RR durante la HER y luego se libera químicamente para impulsar la oxidación de la biomasa, de manera eficiente y limpia», explicó el autor principal Shih-Wei Lin.
La plataforma ha demostrado un rendimiento notable, logrando un 97,4% de rendimiento de ácido 2,5-furandicarboxílico (FDCA), un monómero clave para bioplásticos, a partir de concentraciones de HMF de hasta 300 mM, acercándose a niveles relevantes para la industria. Durante el paso de HER, la regeneración de NiOOH mantuvo una eficiencia Faradaica del 96,0%, mientras que el proceso general alcanzó una alta eficiencia de voltaje del 94,8%.
Las conclusiones de los investigadores abren nuevas avenidas para la síntesis química verde. «El sistema también es capaz de oxidar otras moléculas orgánicas que contienen grupos aldehído o alcohol, como el furfural, lo que subraya su versatilidad», añadió el profesor Chen.
Al eliminar los electrolitos de soporte y los componentes de membrana, el enfoque reduce las demandas energéticas, disminuye los costos de materiales y simplifica la purificación posterior. Además, minimiza las pérdidas de carbono y mejora la pureza del producto, ofreciendo un camino escalable y sostenible para la producción de productos químicos de origen biológico y hidrógeno limpio. Este avance representa un paso crítico hacia la descarbonización de la industria química y la utilización de electricidad renovable para transformaciones químicas ambientalmente responsables.
