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Generación de hidrógeno con energía solar
Investigadores en Suiza han demostrado células solares de división de agua más eficientes basadas en un material barato, abundante y duradero: el óxido. El avance podría conducir a una forma barata y energéticamente eficiente de generar hidrógeno para vehículos con pilas de combustible que utilizan energía solar.
Los paneles solares de división de agua tendrían importantes ventajas sobre las tecnologías existentes en términos de producción de hidrógeno. En este momento, la forma principal de producir hidrógeno es separarlo del gas natural, un proceso que genera dióxido de carbono y socava la principal motivación para pasar a los vehículos de pila de combustible de hidrógeno: acabar con la dependencia de los combustibles fósiles. La alternativa actual es la electrólisis, que utiliza electricidad para romper el agua en hidrógeno y oxígeno, y los dos gases se forman en electrodos opuestos. Aunque la electrólisis es costosa, puede ser más limpia si la fuente de electricidad es el viento, el sol o alguna otra fuente libre de carbono.
Pero si la fuente de electricidad es el sol, sería mucho más eficiente utilizar la energía solar para producir hidrógeno mediante un proceso fotoquímico dentro de la propia celda. Al mejorar la eficiencia de dichos paneles solares, Michael Grätzel , profesor de química en la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, en Suiza, y sus colegas han dado un paso importante hacia este objetivo.
Los investigadores han demostrado que al incluir pequeñas cantidades de silicio y cobalto, pueden desarrollar películas delgadas nanoestructuradas de óxido de hierro que convierten la luz solar en los electrones necesarios para formar hidrógeno a partir del agua. Y las películas de óxido de hierro lo hacen de manera más eficiente que nunca con este material.
El óxido de hierro ha sido durante mucho tiempo un material atractivo para estos paneles solares, en parte porque se mantiene bien en contacto con el agua. Pero aunque puede absorber la luz solar, los portadores de carga resultantes no pudieron escapar fácilmente del material, por lo que se recombinaron y se cancelaron entre sí antes de que pudieran dividir el agua. Al dopar el óxido con silicio, los investigadores persuadieron al material para que formara estructuras parecidas a una coliflor con una superficie extremadamente alta, asegurando que una gran parte de los átomos del material estuvieran en contacto con el agua o muy cerca de ella. De esa manera, los agujeros podrían escapar fácilmente al agua, donde provocan la generación de gas oxígeno. El silicio también mejora la conductividad de los electrones en el material, lo cual es importante para generar gas hidrógeno en un electrodo opuesto. Los investigadores mejoraron aún más el proceso al agregar cobalto, que actúa como catalizador de las reacciones.
Las nuevas películas de óxido de hierro de Grätzel pueden convertir un impresionante 42 por ciento, según los investigadores, sin precedentes de los fotones ultravioleta de la luz solar en electrones y huecos. Pero la eficiencia general del sistema es solo del 4 por ciento, en parte porque el óxido de hierro no absorbe todas las partes del espectro solar.
El principal logro de la nueva investigación de Grätzel, que aparece en el número actual de la Revista de la Sociedad Química Estadounidense , es que examina las interacciones en funcionamiento en el sistema con gran detalle, dice Brian Holcroft, director ejecutivo de Hidrógeno Solar , una empresa con sede en Guildford, Reino Unido, que está desarrollando formas de producir paneles en masa inspirados en los materiales de Grätzel. Los hallazgos sugieren varias estrategias que podrían ayudar al panel a base de óxido de hierro a alcanzar el nivel de eficiencia del 10 por ciento que haría que la tecnología fuera competitiva con las formas actuales de crear hidrógeno, dice Holcroft. (Teóricamente, el óxido de hierro podría tener una eficiencia de hasta un 20 por ciento). Esto incluye ajustar la cantidad y disposición de silicio y cobalto, y mejorar la estructura de las películas.
Si se puede alcanzar este nivel de eficiencia, la energía solar generadora de hidrógeno podría mitigar algunos de los desafíos que amenazan con hacer que los vehículos de celda de combustible de hidrógeno no sean prácticos, dice George Sverdrup, gerente de tecnología de hidrógeno en el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL), en Golden, CO. Por ejemplo, si los consumidores y las empresas usaran estos paneles para fabricar hidrógeno, en lugar de obtener hidrógeno de una instalación grande, se reduciría el costo de envío de hidrógeno, lo que haría que el hidrógeno fuera más asequible. Los paneles de energía solar a hidrógeno serían más eficientes que las pequeñas máquinas de electrólisis y garantizarían que el hidrógeno provenga de una fuente renovable.
Pero persisten los desafíos. Los investigadores de Hydrogen Solar, por ejemplo, están buscando un reemplazo para el costoso platino que ahora se usa en uno de los electrodos de la celda, lo que será importante para mantener bajos los costos, especialmente a medida que aumenta la demanda de platino en esta y otras aplicaciones, como el combustible. células. Mientras tanto, Sverdrup dice que otros investigadores, incluidos los de NREL, están trabajando con materiales que son mucho más eficientes que el óxido de hierro, pero que hasta ahora solo han durado unas horas. Si los investigadores pueden hacer que duren más, los materiales podrían desafiar al óxido de hierro.