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La generación y almacenamiento de energía renovable, como la solar o la eólica, es una tema clave para lograr una economía basada en una producción de energía limpia, como lo es la lograda por la división del agua en hidrógeno y oxígeno utilizando la energía de los rayos solares

Cuando se estableció en Caltech y sus instituciones asociadas el Centro Conjunto para Fotosíntesis Artificial (JCAP) en el año 2010, el Centro de Innovación de Energía del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) tenía un objetivo principal: un método rentable de producción de combustibles utilizando sólo la luz del sol, agua y dióxido de carbono, imitando el proceso natural de fotosíntesis en las plantas y almacenar energía en forma de combustibles químicos para utilizarlos bajo demanda. En los últimos cinco años, los investigadores de JCAP han hecho importantes avances hacia este objetivo, y ahora informan el desarrollo del primer sistema de energía solar completo, eficiente, seguro e integrado para dividir el agua y crear hidrógeno combustible.

«Este resultado fue un hito del proyecto en los cinco años de JCAP en su conjunto, y no sólo hemos logrado este objetivo, también lo alcanzamos a tiempo y dentro del presupuesto», dice Nate Lewis de Caltech, profesor de química y director científico de JCAP.

El nuevo sistema de generación de combustible solar, u hoja artificial, se describe en la edición del 24 de agosto en línea de la revista Energía y Ciencias Ambientales (Energy and Environmental Science). El trabajo fue realizado por investigadores en los laboratorios de Lewis y Harry Atwater, director de JCAP y catedrático Howard Hughes de Física Aplicada y Ciencias de los Materiales.

«Este logro se basó en los conocimientos, las ideas y las capacidades de JCAP, que ilustra lo que se puede en un esfuerzo de escala central por un equipo integrado», dice Atwater. «El dispositivo informado aquí surgió de un esfuerzo a gran escala de varios años para definir los componentes del diseño y los materiales necesarios para un generador integrado de combustibles solares.»

El nuevo sistema consta de tres componentes principales: dos electrodos —un fotoánodo y un fotocátodo— y una membrana. El fotoánodo utiliza la luz solar para oxidar las moléculas de agua, generando protones y electrones, así como oxígeno. El fotocátodo recombina los protones y los electrones para formar hidrógeno. Una parte clave del diseño de JCAP es la membrana de plástico, que mantiene los gases oxígeno e hidrógeno separados. Si se permite que los dos gases se mezclen y se encienden por accidente, puede ocurrir una explosión; la membrana permite que el combustible de hidrógeno se recoja por separado bajo presión y con seguridad, empujado hacia una tubería.

Los semiconductores como el silicio o el arseniuro de galio absorben la luz de manera eficiente, y por lo tanto se utilizan en los paneles solares. Sin embargo, estos materiales también se oxidan en la superficie cuando se exponen al agua, por lo que no pueden utilizarse para generar combustible directamente. Un gran avance que permitió el desarrollo del sistema integrado fue el trabajo previo en el laboratorio de Lewis, que mostró que agregando una capa de nanómetros de espesor de dióxido de titanio (TiO2) —un material que se encuentra en la pintura blanca y muchas pastas de dientes y protectores solares— en los electrodos podrían evitar la corrosión, al tiempo que permite que la luz y los electrones pasen a través. El nuevo sistema completo de generación de combustible solar desarrollado por Lewis y sus colegas utiliza una capa de TiO2 de 62,5 nanómetros de espesor para prevenir eficazmente la corrosión y mejorar la estabilidad de un fotoelectrodo basado arseniuro de galio.

Otro avance importante es el uso de catalizadores activos económicos para la producción de combustible. El fotoánodo requiere un catalizador para impulsar la reacción esencial de la división del agua. Metales raros y caros como el platino pueden servir como catalizadores eficaces, pero en su trabajo el equipo descubrió que podía crear un catalizador activo mucho más barato agregando una capa de níquel de 2 nanómetros de espesor a la superficie del TiO2. Este catalizador es uno de los catalizadores más activos conocidos para dividir moléculas de agua en oxígeno, protones y electrones, y es clave para la alta eficiencia mostrada por el dispositivo.

El fotoánodo se creó sobre un fotocátodo, que también contiene un catalizador de níquel-molibdeno de bajo costo altamente activo, para crear un material único plenamente integrado que sirve como un completo sistema de división de agua con energía solar.

Un componente crítico que contribuye a la eficiencia y seguridad del nuevo sistema es la membrana de plástico especial que separa los gases y evita la posibilidad de una explosión, Si bien permite que los iones fluyan a la perfección para completar el circuito eléctrico en la célula. Todos los componentes son estables bajo las mismas condiciones y trabajan juntos para producir un sistema totalmente integrado de alto rendimiento. El sistema de demostración tiene aproximadamente un centímetro cuadrado de superficie, convierte 10 por ciento de la energía de la luz solar en energía almacenada en combustible químico, y puede funcionar durante más de 40 horas en forma continua.

«Este nuevo sistema rompe todos los récords de seguridad, rendimiento y estabilidad combinados en la tecnología de hoja artificial por factores de 5 a 10 o más», dice Lewis.

«Nuestro trabajo demuestra que sí es posible producir combustibles a partir de la luz solar de manera segura y eficiente en un sistema integrado con componentes de bajo costo», añade Lewis. «Por supuesto, aún tenemos trabajo por hacer para extender la vida útil del sistema y desarrollar métodos para fabricar sistemas completos en forma rentable, el cual está en curso».

Debido a que el trabajo ensambla diversos componentes que fueron desarrollados por varios equipos dentro del JCAP, el coautor Chengxiang Xiang, quien es co-líder de la creación de prototipos en JCAP y la ampliación del proyecto, dice que el resultado final exitoso fue un esfuerzo de colaboración. «La investigación y el desarrollo de JCAP en el diseño de dispositivos, la simulación y el descubrimiento de materiales, y la integración de todo llevaron a este nuevo dispositivo», afirma Xiang.

 


 

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Estos resultados se han publicado en un artículo titulado «A monolithically integrated, intrinsically safe, 10% efficient, solar-driven water-splitting system based on active, stable earth-abundant electrocatalysts in conjunction with tandem III-V light absorbers protected by amorphous TiO2 films«. Además de Lewis, Atwater y Xiang, otros coautores de Caltech son el estudiante graduado Erik Verlage, los académicos posdoctorales Shu y Hu Ke Sun, el ingeniero de investigación Rui Liu de procesamiento e integración de materiales, y el ingeniero mecánico Ryan Jones de JCAP. El financiamiento fue proporcionado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos y la Fundación Gordon y Betty Moore.

Fuente: EurekAlert. Aportado por Eduardo J. Carletti

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