Durante décadas, investigadores de todo el mundo han buscado formas de utilizar la energía solar para generar la reacción clave para producir hidrógeno como fuente de energía limpia: dividir las moléculas de agua para formar hidrógeno y oxígeno. Sin embargo, estos esfuerzos han fracasado en su mayoría porque hacerlo bien era demasiado costoso y tratar de hacerlo a bajo costo conducía a un rendimiento deficiente.
Ahora, investigadores de la Universidad de Texas en Austin han encontrado una forma económica de resolver la mitad de la ecuación, utilizando la luz solar para separar de manera eficiente las moléculas de oxígeno del agua. El hallazgo, publicado recientemente en Nature Communications , representa un paso adelante hacia una mayor adopción del hidrógeno como parte clave de nuestra infraestructura energética.
Ya en la década de 1970, los investigadores estaban investigando la posibilidad de utilizar energía solar para generar hidrógeno. Pero la incapacidad de encontrar materiales con la combinación de propiedades necesarias para un dispositivo que pueda realizar las reacciones químicas clave de manera eficiente ha impedido que se convierta en un método convencional.
"Necesita materiales que sean buenos para absorber la luz solar y, al mismo tiempo, no se degraden mientras tienen lugar las reacciones de división del agua", dijo Edward Yu, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Escuela Cockrell. "Resulta que los materiales que son buenos para absorber la luz solar tienden a ser inestables en las condiciones requeridas para la reacción de división del agua, mientras que los materiales que son estables tienden a absorber mal la luz solar. Estos requisitos contradictorios lo llevan a una compensación aparentemente inevitable , pero al combinar varios materiales, uno que absorbe eficientemente la luz solar, como el silicio, y otro que proporciona una buena estabilidad, como el dióxido de silicio, en un solo dispositivo, este conflicto se puede resolver ".
Sin embargo, esto crea otro desafío: los electrones y los agujeros creados por la absorción de la luz solar en el silicio deben poder moverse fácilmente a través de la capa de dióxido de silicio. Por lo general, esto requiere que la capa de dióxido de silicio no tenga más de unos pocos nanómetros, lo que reduce su eficacia para proteger el absorbente de silicio de la degradación.
La clave de este avance vino a través de un método para crear trayectorias eléctricamente conductoras a través de una capa gruesa de dióxido de silicio que se puede realizar a bajo costo y escalar a altos volúmenes de fabricación. Para llegar allí, Yu y su equipo utilizaron una técnica que se implementó por primera vez en la fabricación de chips electrónicos semiconductores. Al recubrir la capa de dióxido de silicio con una película delgada de aluminio y luego calentar toda la estructura, se forman matrices de "picos" de aluminio a nanoescala que unen completamente la capa de dióxido de silicio. Estos pueden ser reemplazados fácilmente por níquel u otros materiales que ayuden a catalizar las reacciones de separación del agua.
Cuando están iluminados por la luz solar, los dispositivos pueden oxidar el agua de manera eficiente para formar moléculas de oxígeno al mismo tiempo que generan hidrógeno en un electrodo separado y exhiben una estabilidad sobresaliente bajo un funcionamiento prolongado. Debido a que las técnicas empleadas para crear estos dispositivos se usan comúnmente en la fabricación de componentes electrónicos semiconductores, deberían ser fáciles de escalar para la producción en masa.
El equipo ha presentado una solicitud de patente provisional para comercializar la tecnología.
Mejorar la forma en que se genera el hidrógeno es clave para que surja como una fuente de combustible viable. La mayor parte de la producción de hidrógeno en la actualidad se produce mediante el calentamiento de vapor y metano, pero eso depende en gran medida de los combustibles fósiles y produce emisiones de carbono.
Hay un impulso hacia el "hidrógeno verde", que utiliza métodos más respetuosos con el medio ambiente para generar hidrógeno. Y simplificar la reacción de división del agua es una parte clave de ese esfuerzo.
El hidrógeno tiene el potencial de convertirse en un importante recurso renovable con algunas cualidades únicas. Ya tiene un papel importante en procesos industriales importantes y está comenzando a aparecer en la industria automotriz. Las baterías de pila de combustible parecen prometedoras en el transporte de larga distancia, y la tecnología del hidrógeno podría ser de gran ayuda para el almacenamiento de energía, con la capacidad de almacenar el exceso de energía eólica y solar producida cuando las condiciones son propicias para ellas.
En el futuro, el equipo trabajará para mejorar la eficiencia de la parte de oxígeno de la división del agua aumentando la velocidad de reacción. El próximo gran desafío de los investigadores es pasar a la otra mitad de la ecuación.
"Pudimos abordar el lado del oxígeno de la reacción primero, que es la parte más desafiante", dijo Yu, "pero es necesario realizar las reacciones de evolución de hidrógeno y oxígeno para dividir completamente las moléculas de agua, por eso nuestro próximo El paso es analizar la aplicación de estas ideas para hacer dispositivos para la porción de hidrógeno de la reacción ".
Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. A través de la Dirección de Ingeniería y el programa de Centros de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales (MRSEC). Yu trabajó en el proyecto con los estudiantes de UT Austin Soonil Lee y Alex De Palma, junto con Li Ji, profesor de la Universidad Fudan en China.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionados por la Universidad de Texas en Austin . Nota: El contenido puede editarse por estilo y longitud.
https://www.sciencedaily.com/releases/2021/07/210719143405.htm
Thank for nice information
ResponderEliminarDont forget to visit our
site