Investigadores de la Universidad de Michigan (UM) han conseguido un nuevo catalizador solar que permite separar el oxígeno y el hidrógeno del agua con un 9% más de eficacia. Al aire libre, el dispositivo es 10 veces más eficiente que los que existen para dividir el agua. No sólo es un paso adelante para la producción de hidrógeno, sino que abarata su coste.
Publicado en la revista Nature, el equipo que lo ha desarrollado ha dejado constancia de lo que supone el avance. Según explican, la producción de combustible de hidrógeno a partir de la luz solar y el agua, es un camino prometedor para la neutralidad futura. Entre otras cosas, porque la luz del sol y el agua son dos de los recursos naturales más abundantes de la Tierra.
El desarrollo de la UM se basa en la propia fotosíntesis natural, en cómo las plantas obtienen átomos de hidrógeno del agua a partir de luz solar.
Producción de hidrógeno basado en la fotosíntesis
Los científicos explican que la división fotoelectroquímica del agua a menudo requiere electrolitos corrosivos. Hay que recordar que se sigue utilizando combustible fósil para generar hidrógeno en muchos casos. Por tanto, la corrosión limita la estabilidad del rendimiento y la sostenibilidad ambiental.
En contrapartida, se puede producir hidrógeno limpio directamente a partir de la luz solar y el agua mediante la división fotocatalítica del agua. Sin embargo, la eficiencia solar a hidrógeno (STH) del sistema se ha mantenido hasta ahora muy baja.
El desarrollo de la UM ha llevado a lograr una alta eficiencia, del 9,2%, utilizando: agua pura, luz solar concentrada y un fotocatalizador de nitruro de indio y galio.
Según Zetian Mi, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la UM que dirigió el estudio publicado en Nature:
“Al final, creemos que los dispositivos de fotosíntesis artificial serán mucho más eficientes que la fotosíntesis natural. Eso proporcionará un camino hacia la neutralidad del carbono”.
Dos puntos clave
El sistema se basa en dos puntos importantes. El primero es la capacidad de concentrar la luz solar sin destruir el semiconductor que la aprovecha. Según explica Peng Zhou, investigador de la UM en ingeniería eléctrica e informática y primer autor del estudio:
“Hemos reducido el tamaño del semiconductor en más de 100 veces en comparación con algunos semiconductores que sólo funcionan a baja intensidad luminosa.
El hidrógeno producido con nuestra tecnología podría ser muy barato”.
El segundo se centra en: utilizar la mayor energía del sol para dividir el agua a la vez que la menor energía para proporcionar el calor que favorece la reacción. Esto es posible gracias a un catalizador semiconductor que se mejora a sí mismo con el uso. Resiste la degradación que suelen experimentar estos catalizadores cuando aprovechan la luz solar para impulsar reacciones químicas.
No sólo soporta altas intensidades de luz, sino que mejora a temperaturas elevadas, lo que en los semiconductores informáticos habituales supone un problema. Las altas temperaturas aceleran el proceso de división del agua. Además, el calor adicional favorece que el hidrógeno y el oxígeno permanezcan separados en lugar de renovar sus enlaces y formar agua de nuevo. Todo esto llevó a conseguir una mayor producción de hidrógeno, por parte del equipo de investigadores.
Para el experimento al aire libre, Zhou instaló una lente del tamaño de una ventana. Así consiguió enfocar la luz solar sobre un panel experimental de unos pocos centímetros de diámetro.
Dentro del panel, el catalizador semiconductor se cubrió con una capa de agua que burbujeaba con los gases de hidrógeno y oxígeno que separaba.
El catalizador por dentro
El catalizador está formado por nanoestructuras de nitruro de indio y galio cultivadas sobre una superficie de silicio. Esta oblea semiconductora capta la luz y la convierte en electrones libres y huecos (espacios con carga positiva que quedan cuando la luz libera electrones).
Las nanoestructuras están salpicadas de bolas metálicas a escala nanométrica, de 1/2000 de milímetro de diámetro. Utilizan esos electrones y huecos para ayudar a dirigir la reacción.
Una simple capa aislante sobre el panel mantiene la temperatura a unos 75 grados Celsius, o 167 grados Fahrenheit. Es decir, lo suficientemente caliente como para favorecer la reacción y lo suficientemente fría como para que el catalizador semiconductor funcione bien.
La versión exterior del experimento, con luz solar y temperatura menos fiables, consiguió un 6,1% de eficacia al utilizar energía solar para generar hidrógeno. Sin embargo, en interiores, el sistema alcanzó una eficiencia del 9%.
Según señalan los propios investigadores:
“Nuestro estudio ofrece un enfoque práctico para producir combustible de hidrógeno de manera eficiente a partir de agua y luz solar natural, superando el cuello de botella de eficiencia de la producción de hidrógeno solar”.
El próximo desafío del equipo radica en aumentar la eficiencia y obtener hidrógeno de pureza ultra alta para introducirlo, directamente, en las pilas de combustible.
FUENTES:
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