Dispositivo de hidrógeno solar que bate récords: convertir la luz solar en energía limpia
Los ingenieros de la Universidad Rice han desarrollado un dispositivo que puede convertir la luz solar en hidrógeno con una eficiencia sin precedentes. El dispositivo, una celda fotoelectroquímica, incorpora electrocatalizadores y semiconductores de perovskita de haluro de próxima generación. Se presenta como una plataforma potencial para reacciones químicas que utilizan energía solar para convertir materias primas en combustibles. (Concepto del artista).
Nuevo estándar para la tecnología de hidrógeno verde establecido por ingenieros de Rice U.
Los ingenieros de la Universidad Rice pueden convertir la luz solar en hidrógeno con una eficiencia récord gracias a un dispositivo que combina semiconductores de perovskita de haluro de próxima generación con electrocatalizadores en un dispositivo único, duradero, rentable y escalable.
La nueva tecnología es un importante paso adelante para la energía limpia y podría servir como plataforma para una amplia gama de reacciones químicas que utilizan electricidad recolectada con energía solar para convertir materias primas en combustibles.
Diseño revolucionario de fotorreactor
El laboratorio de Aditya Mohite, especializado en ingeniería química y biomolecular, encabezó la construcción de este fotorreactor integrado. Un elemento clave en el diseño del dispositivo es una barrera anticorrosión que aísla eficazmente el semiconductor del agua sin impedir la transferencia de electrones. Como se informa en un estudio publicado en Nature Communications , el dispositivo cuenta con una impresionante eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno del 20,8%.
Un fotorreactor desarrollado por el grupo de investigación Mohite de la Universidad Rice y sus colaboradores logró una eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno del 20,8%. Crédito: Gustavo Raskosky/Universidad de Rice
Austin Fehr, estudiante de doctorado en ingeniería química y biomolecular y uno de los autores principales del estudio, enfatizó la importancia de este trabajo. “El uso de la luz solar como fuente de energía para fabricar productos químicos es uno de los mayores obstáculos para una economía de energía limpia. Nuestro objetivo es construir plataformas económicamente viables que puedan generar combustibles derivados del sol. Aquí, diseñamos un sistema que absorbe la luz y completa la química electroquímica de división del agua en su superficie”.
Superar los desafíos con las células fotoelectroquímicas
El dispositivo se conoce como celda fotoelectroquímica porque la absorción de luz, su conversión en electricidad y el uso de la electricidad para impulsar una reacción química ocurren en el mismo dispositivo. Hasta ahora, el uso de tecnología fotoelectroquímica para producir hidrógeno verde se veía obstaculizado por las bajas eficiencias y el alto coste de los semiconductores.
Serie de cuatro imágenes fijas de un vídeo de muestra que muestra cómo un fotorreactor de la Universidad Rice divide moléculas de agua y genera hidrógeno cuando es estimulado por luz solar simulada. Crédito: Laboratorio Mohite/Universidad Rice
Fehr explicó la distinción de su invento: «Todos los dispositivos de este tipo producen hidrógeno verde utilizando sólo luz solar y agua, pero el nuestro es excepcional porque tiene una eficiencia récord y utiliza un semiconductor que es muy barato».
Viaje de innovación y perspectivas de futuro
El laboratorio Mohite y sus colaboradores crearon el dispositivo convirtiendo su célula solar altamente competitiva en un reactor que podría utilizar la energía recolectada para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno. El desafío que tuvieron que superar fue que las perovskitas de haluros son extremadamente inestables en el agua y los recubrimientos utilizados para aislar los semiconductores terminaron alterando su función o dañándolos.
Ayush Agrawal (desde la izquierda), Faiz Mandani y Austin Fehr. Crédito: Gustavo Raskosky/Universidad de Rice
«Durante los últimos dos años, hemos ido y venido probando diferentes materiales y técnicas», dijo Michael Wong, ingeniero químico de Rice y coautor del estudio.
Después de largas pruebas que no lograron obtener el resultado deseado, los investigadores finalmente encontraron una solución ganadora.
«Nuestra idea clave fue que se necesitaban dos capas para la barrera, una para bloquear el agua y otra para hacer un buen contacto eléctrico entre las capas de perovskita y la capa protectora», dijo Fehr. “Nuestros resultados son la mayor eficiencia para células fotoelectroquímicas sin concentración solar y, en general, los mejores para aquellas que utilizan semiconductores de halogenuros de perovskita.
Michael Wong es profesor Tina y Sunit Patel de Nanotecnología Molecular de la Universidad Rice, presidente y profesor de ingeniería química y biomolecular, y profesor de química, ciencia de materiales y nanotecnología, así como de ingeniería civil y ambiental. Crédito: Michael Wong/Universidad Rice
«Es una novedad en un campo que históricamente ha estado dominado por semiconductores prohibitivamente caros, y puede representar un camino hacia la viabilidad comercial para este tipo de dispositivo por primera vez», dijo Fehr.
Aditya Mohite es profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y director de la facultad de la Iniciativa de Ingeniería de Arroz para la Transición y Sostenibilidad Energética, o REINVENTS. Crédito: Aditya Mohite/Universidad de Rice
Los investigadores demostraron que su diseño de barrera funcionaba para diferentes reacciones y con diferentes semiconductores, lo que lo hacía aplicable en muchos sistemas.
«Esperamos que estos sistemas sirvan como plataforma para impulsar una amplia gama de electrones a reacciones de formación de combustible utilizando abundantes materias primas con sólo la luz solar como aporte de energía», dijo Mohite.
«Con mayores mejoras en la estabilidad y la escala, esta tecnología podría abrir la economía del hidrógeno y cambiar la forma en que los humanos fabrican cosas desde combustibles fósiles hasta combustible solar», añadió Fehr.
Referencia: “Células fotoelectroquímicas de perovskita de haluro integradas con una eficiencia de división de agua impulsada por energía solar del 20,8%” por Austin MK Fehr, Ayush Agrawal, Faiz Mandani, Christian L. Conrad, Qi Jiang, So Yeon Park, Olivia Alley, Bor Li, Siraj Sidhik, Isaac Metcalf, Christopher Botello, James L. Young, Jacky Even, Jean Christophe Blancon, Todd G. Deutsch, Kai Zhu, Steve Albrecht, Francesca M. Toma, Michael Wong y Aditya D. Mohite, 26 de junio de 2023, Nature Communications .
DOI: 10.1038/s41467-023-39290-y
Los estudiantes graduados de Rice, Ayush Agrawal y Faiz Mandani, son los autores principales del estudio junto con Fehr. El trabajo también fue escrito en parte por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, operado por Alliance for Sustainable Energy LLC para el Departamento de Energía bajo el contrato DE-AC36-08GO28308.
Mohite es profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y director de la facultad de la Iniciativa de Ingeniería de Arroz para la Transición y Sostenibilidad Energética, o REINVENTS. Wong es profesora Tina y Sunit Patel de Nanotecnología Molecular, catedrático y profesor de ingeniería química y biomolecular, y profesor de química, ciencia de materiales y nanotecnología, así como de ingeniería civil y ambiental.
La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía (DE-EE0008843), SARIN Energy Inc. y la Autoridad de Equipos Compartidos de Rice.
Fuente: newsreadeck.com
