Los ingenieros químicos de la École Polytechnique de Lausanne han inventado un papel sintético alimentado por energía solar, construido sobre un nuevo electrodo poroso transparente. la hoja artificial Capaz de recoger agua de la atmósfera para convertirla en combustible de hidrógeno. La tecnología basada en semiconductores es escalable y fácil de preparar.
El artículo que informa los resultados ha sido publicado en Materiales avanzados.
Un dispositivo que pueda recolectar agua del aire y proporcionar combustible de hidrógeno, alimentado completamente por energía solar, ha sido el sueño de los investigadores durante décadas. Ahora, el ingeniero químico de EPFL Kevin Sivula y su equipo han dado un paso importante para acercar esa visión a la realidad.
El equipo ha desarrollado un sistema innovador y simple que combina tecnología basada en semiconductores con nuevos electrodos que tienen dos propiedades clave: son porosos, para maximizar el contacto con el agua en el aire; Y transparente, para maximizar la exposición a la luz solar del recubrimiento semiconductor. Cuando el dispositivo simplemente se expone a la luz solar, toma agua del aire y produce gas hidrógeno.
La invención clave son los nuevos electrodos de difusión de gas, que son transparentes, porosos y conductores, lo que permite que esta tecnología alimentada por energía solar convierta el agua, en su estado gaseoso del aire, en combustible de hidrógeno.
Sivula, del Laboratorio de Ingeniería Molecular de Nanomateriales Fotovoltaicos de la EPFL, e investigador principal del estudio, dijo: «Para lograr una sociedad sostenible, necesitamos formas de almacenar energía renovable como productos químicos que puedan usarse como combustibles y materias primas en la industria. La energía solar es la más abundante forma de energía renovable, y nos esforzamos por desarrollar formas económicamente competitivas para la producción de combustible solar.
Inspiración de las hojas de las plantas.
En su búsqueda de combustibles renovables libres de fósiles, los ingenieros de EPFL, en colaboración con Toyota Motor Europe, se inspiraron en la forma en que las plantas pueden convertir la luz solar en energía química utilizando el dióxido de carbono del aire. Una planta recolecta principalmente dióxido de carbono y agua de su entorno y, con el impulso adicional de la energía de la luz solar, puede convertir estas moléculas en azúcares y almidones, un proceso conocido como fotosíntesis. La energía de la luz solar se almacena en forma de enlaces químicos dentro de azúcares y almidones.
Los electrodos transparentes de difusión de gas desarrollados por Seifola y su equipo, cuando se cubren con un material semiconductor ligero, actúan como una hoja artificial, recolectando agua del aire y la luz solar para producir gas hidrógeno. La energía de la luz solar se almacena en forma de enlaces de hidrógeno.
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En lugar de construir electrodos con capas tradicionales opacas a la luz solar, sus sustratos son en realidad una rejilla tridimensional de fibras de vidrio sinterizadas.
Marina Caretti, autora principal del trabajo, dijo: «Desarrollar el prototipo del dispositivo fue un desafío porque los electrodos de difusión de gas transparentes no se habían demostrado anteriormente y tuvimos que desarrollar nuevos procedimientos para cada paso. Sin embargo, dado que cada paso es relativamente simple y escalable, creo que nuestro enfoque abrirá nuevos horizontes para una amplia gama de aplicaciones, desde sustratos de difusión de gas hasta producción de hidrógeno impulsada por energía solar”.
Del agua líquida a la humedad del aire
Sivula y otros grupos de investigación han demostrado previamente que es posible realizar fotosíntesis artificial generando combustible de hidrógeno a partir de agua líquida y luz solar utilizando un dispositivo llamado celda fotoelectroquímica (PEC). Una celda PEC se conoce generalmente como un dispositivo que usa luz incidente para excitar un material fotosensible, como un semiconductor, sumergido en un líquido solución para provocar una reacción química. Pero a efectos prácticos, este proceso tiene sus inconvenientes, por ejemplo, es complicado hacer PEC de gran superficie usando líquido.
Sivula quería demostrar que la tecnología PEC podía adaptarse para recolectar humedad del aire, lo que condujo al desarrollo de un nuevo electrodo de difusión de gas. Ya se ha demostrado que las celdas electroquímicas (como las celdas de combustible) funcionan con gases en lugar de líquidos, pero los electrodos de difusión de gas utilizados anteriormente son opacos y no son compatibles con la tecnología PEC de energía solar.
Ahora, los investigadores están centrando sus esfuerzos en mejorar el sistema. ¿Cuál es el tamaño de fibra ideal? ¿El tamaño de poro perfecto? ¿Qué son los semiconductores y los materiales de película ideales? Estas son las preguntas que se persiguen en el proyecto «Sun-to-X» de la Unión Europea, que se dedica a desarrollar esta tecnología y desarrollar nuevas formas de convertir el hidrógeno en combustible líquido.
Fabricación de electrodos transparentes de difusión de gas.
Para hacer electrodos de difusión de gas transparentes, los investigadores comenzaron con un tipo de lana de vidrio, que está hecha principalmente de fibras de cuarzo (también conocido como óxido de silicio) y se procesa en escamas de fieltro al fusionar las fibras a alta temperatura. Luego, la oblea se recubre con una película delgada de óxido de estaño perfluorado, conocida por su excelente conductividad, resistencia y facilidad de expansión.
Estos primeros pasos conducen a una oblea transparente, porosa y conductora, esencial para aumentar el contacto con las moléculas de agua en el aire y permitir el paso de los fotones. Luego, la oblea se recubre nuevamente, esta vez con una capa delgada de material semiconductor que absorbe la luz solar. Esta segunda capa delgada todavía deja pasar la luz, pero parece opaca debido a la gran superficie del sustrato poroso. Tal como está, este chip puede producir combustible de hidrógeno simplemente exponiéndolo a la luz solar.
Los científicos procedieron a construir una pequeña cámara que contenía la oblea recubierta, así como una membrana para separar el hidrógeno gaseoso producido para la medición. Cuando sus habitaciones están expuestas a la luz solar en condiciones húmedas, se produce gas hidrógeno, logrando lo que los científicos se propusieron hacer, demostrando que el concepto de un electrodo de difusión de gas transparente se puede realizar para producir gas hidrógeno alimentado por energía solar.
Si bien los científicos no estudiaron formalmente la eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno en su presentación, reconocen que es modesta para este prototipo y actualmente menos de lo que se puede lograr en las células PEC de base líquida. Dependiendo de los materiales utilizados, la eficiencia máxima teórica de conversión de energía solar a hidrógeno para la oblea recubierta es del 12 %, mientras que se ha demostrado que la eficiencia de las celdas líquidas llega al 19 %.
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Este es un hito importante. Sin pretratamiento (agua de limpieza), adición de sales ácidas, etc. Se pueden preparar donde brille el sol y la humedad sea lo suficientemente alta. La única pieza que falta es la incorporación de oxígeno en O2.
Esta brecha solo le llevó unas pocas semanas. No sería sorprendente que la investigación aumentara en gran medida la eficiencia. Miraremos. De alguna manera, esta tecnología tiene más sentido que generar electricidad.
Por Brian Westenhouse vía Nueva energía y combustible
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