La tecnología de energía solar a hidrógeno ve "Notable" Salto de eficiencia

Convertir la luz solar en hidrógeno es una forma aparentemente ideal de abordar los desafíos energéticos del mundo. El proceso no involucra directamente combustibles fósiles ni genera emisiones de gases de efecto invernadero. El hidrógeno resultante puede alimentar sistemas de pilas de combustible en vehículos, barcos y trenes; puede alimentarse a la red eléctrica o utilizarse para fabricar productos químicos y acero. Por ahora, sin embargo, esa visión de energía limpia existe principalmente en el laboratorio.

Recientemente, investigadores japoneses dijeron que han dado un paso importante hacia la producción de grandes cantidades de hidrógeno utilizando energía solar.El equipo de la Universidad de Shinshu en Nagano estudia materiales que absorben la luz para dividir las moléculas de hidrógeno y oxígeno en el agua. Ahora han desarrollado un método de dos pasos que es dramáticamente más eficiente para generar hidrógeno a partir de una reacción fotocatalítica.

Los investigadores comenzaron con oxinitruro de tantalio de bario (BaTaO2N), un material semiconductor que puede absorber luz hasta 650 nanómetros (un longitud de onda visible en el extremo naranja del rojo). La sustancia en polvo sirve como fotocatalizador, aprovechando la energía solar necesaria para impulsar la reacción. También utilizaron una solución acuosa de metanol en lugar de agua, lo que les permitió centrarse solo en el componente de hidrógeno y reducir la complejidad de la reacción.

Por sí mismo,BaTaO2El N difícilmente puede “desprender” gas hidrógeno de la solución. Entonces, usando su nuevo método, el equipo de Shinshu “cargó” los gránulos de polvo con un cocatalizador a base de platino para mejorar la actividad química.

Como resultado, los materiales desarrollaron hidrógeno de manera mucho más eficiente, aproximadamente 100 veces más eficiente, que BaTaO2N que se ha cargado con platino mediante métodos convencionales,de acuerdo a su papel en el diario Comunicaciones de la naturaleza.

Takashi Hisatomi, coautor del estudio, dijo que los resultados son un “hallazgo notable” en este campo de investigación. Hisatomi es profesor de la Iniciativa de Investigación de Shinshu para Supra-Materiales en Nagano, Japón, y ha estudiado BaTaO.2N durante casi una década. “Esto es personalmente muy emocionante para mí”, dijo sobre la mejora de 100 veces.

Los expertos en energía solar han calificado los esfuerzos para hacer que el hidrógeno de manera más fácil o eficiente sea un “Búsqueda del Santo Grial. ” Cuando se usa en vehículos o edificios que funcionan con celdas de combustible, el gas inodoro no produce emisiones ni contaminación del aire, solo un poco de calor y agua. Sin embargo, casi todo el hidrógeno hoy en día se produce mediante un proceso industrial que involucra gas natural, que finalmente bombea más emisiones a la atmósfera. Unas pocas instalaciones pueden producir hidrógeno “verde” utilizando electricidad renovable para dividir las moléculas de agua, pero el proceso en sí consume mucha energía. Si los científicos pueden producir hidrógeno directamente a partir de la energía del sol, podrían evitar este costoso paso.

En Bélgica, un equipo de la Katholieke Universiteit Leuven está desarrollando paneles solares que acumulan humedad en el aire, luego usan componentes químicos y biológicos para dividir el agua directamente en la superficie. Los investigadores prevén colocar estos paneles en la parte superior de las casas, lo que permitirá a las personas calentar sus hogares con gas hidrógeno producido en el lugar. Por separado, científicos israelíes e italianos están avanzando métodos extraer tanto hidrógeno como sea posible de la conversión de energía solar en química. El grupo internacional ha desarrollado nanopartículas en forma de varilla, con puntas de esferas de platino, que evitan que el hidrógeno y el oxígeno se recombinen después de que las moléculas se separan.

En Shinshu, los investigadores buscaron mejorar la eficiencia del BaTaO2N fotocatalizador depositando el cocatalizador a base de platino. Pero los métodos convencionales para hacerlo no fueron inicialmente efectivos, dijo Hisatomi.

Por ejemplo, en el proceso de impregnación-reducción, una superficie se llena con una solución que contiene precursores metálicos y luego se somete a temperaturas elevadas, lo que evapora el solvente y deja atrás los catalizadores metálicos. Cuando el equipo de Shinshu aplicó finas partículas de platino al BaTaO2N gránulos, las partículas tendieron a agregarse, restringiendo la interacción electrónica entre los materiales. Otro método, llamado fotodeposición, resultó en un contacto débil entre el BaTaO2N y cocatalizador, debilitando a su vez la interacción.

Entonces, los investigadores combinaron estos dos métodos. Primero, depositaron solo una pequeña cantidad del cocatalizador usando el proceso de impregnación-reducción, y eso evitó que las partículas se agregaran. Luego aplicaron una segunda capa mediante fotodeposición; esta vez, las partículas finas crecieron en las “semillas” ampliamente dispersas plantadas en el primer paso. Zheng Wang y Ying Luo llevaron a cabo la investigación, bajo la supervisión de Kazunari Domen y Katsuya Teshima, respectivamente.

Aunque el estudio involucró una solución acuosa de metanol, no agua, el equipo confirmó que el recién desarrollado cargado de platinoBaTaO2El N puede dividir las moléculas de hidrógeno y oxígeno en el agua de manera más eficiente que el anterior BaTaO.2Versiones N, cuando se combinan con otro fotocatalizador que impulsa el proceso de evolución del oxígeno.

Hisatomi dijo que el equipo está considerando imprimir el fotocatalizador en polvo en un reactor tipo panel. Él y sus colegas han ya construí un dispositivo de este tipo utilizando otro material, titanato de estroncio dopado con aluminio (SrTiO3), que tiene la misma estructura cristalina que BaTaO2N pero absorbe luces en diferentes longitudes de onda. El reactor de panel de 1 metro cuadrado se llena con una capa de agua de 1 milímetro de profundidad. Cuando se expone a la luz solar, la reacción química libera rápidamente burbujas de gas. Un esfuerzo de investigación relacionado tiene como objetivo desarrollar membranas que puedan mantener separadas las burbujas de hidrógeno y oxígeno.

Aún así, a pesar del salto de eficiencia de 100 veces, BaTaO2N no está del todo listo para la producción de hidrógeno en horario de máxima audiencia.

“Todavía necesitamos un salto similar en la mejora de la eficiencia para que esta tecnología sea prácticamente útil”, dijo Hisatomi. A medida que los investigadores continúen mejorando el fotocatalizador, también comenzarán a aplicar el enfoque de dos pasos a otros tipos de materiales.“No sabemos qué material se convertirá en el mejor al final”, agregó.

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