Un dispositivo de fotosíntesis artificial nuevo y estable duplica la eficiencia de aprovechar la luz solar para separar el agua dulce y salada, generando hidrógeno que luego puede usarse en las celdas de combustible.
El dispositivo también podría reconfigurarse para convertir el dióxido de carbono en combustible.
El hidrógeno es el combustible de combustión más limpia, con agua como su única emisión. Pero la producción de hidrógeno no siempre es respetuosa con el medio ambiente. Los métodos convencionales requieren gas natural o energía eléctrica. El método avanzado por el nuevo dispositivo, llamado división solar directa del agua, solousa agua y luz del sol.
"Si podemos almacenar directamente la energía solar como combustible químico, como lo que hace la naturaleza con la fotosíntesis, podríamos resolver un desafío fundamental de las energías renovables", dijo Zetian Mi, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Michigan, quiendirigió la investigación mientras estaba en la Universidad McGill en Montreal.
Faqrul Alam Chowdhury, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática en McGill, dijo que el problema con las células solares es que no pueden almacenar electricidad sin baterías, que tienen un alto costo general y una vida limitada.
El dispositivo está hecho de los mismos materiales ampliamente utilizados que las células solares y otros componentes electrónicos, incluido el nitruro de silicio y galio que a menudo se encuentra en los LED. Con un diseño listo para la industria que funciona solo con luz solar y agua de mar, el dispositivo allana el caminopara la producción a gran escala de combustible de hidrógeno limpio.
Los divisores de agua solares directos anteriores han logrado un poco más del 1 por ciento de eficiencia estable de solar a hidrógeno en agua dulce o salada. Otros enfoques sufren el uso de materiales costosos, ineficientes o inestables, como el dióxido de titanio, que también pueden involucraragregando soluciones altamente ácidas para alcanzar mayores eficiencias.
Mi y su equipo, sin embargo, lograron más del 3 por ciento de eficiencia solar a hidrógeno. Para alcanzar esta eficiencia estable, el equipo construyó un paisaje urbano de tamaño nano de torres de nitruro de galio que generaron un campo eléctrico. El nitruro de galio se vuelve liviano, o fotones, en electrones móviles y vacantes cargadas positivamente llamadas agujeros. Estas cargas libres dividen las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno.
"Cuando esta oblea especialmente diseñada es golpeada por fotones, el campo eléctrico ayuda a separar los electrones y agujeros fotogenerados para impulsar la producción de moléculas de hidrógeno y oxígeno de manera eficiente", dijo Chowdhury.
En la actualidad, el respaldo de silicio del chip no contribuye a su función, pero podría estar haciendo más. El siguiente paso puede ser utilizar el silicio para ayudar a capturar los portadores de carga de luz y embudo a las torres de nitruro de galio.
"Aunque la eficiencia del 3 por ciento puede parecer baja, cuando se pone en el contexto de los 40 años de investigación sobre este proceso, en realidad es un gran avance", dijo Mi. "La fotosíntesis natural, dependiendo de cómo se calcule, tiene una eficienciade aproximadamente 0.6 por ciento "
Agrega que la eficiencia del 5 por ciento es el umbral para la comercialización, pero su equipo apunta a una eficiencia del 20 o 30 por ciento.
Mi lleva a cabo una investigación similar para eliminar el dióxido de carbono de su oxígeno para convertir el carbono resultante en hidrocarburos, como metanol y gas de síntesis. Esta ruta de investigación podría eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera, como hacen las plantas.
"Esa es la parte verdaderamente emocionante", dijo Mi.
El dispositivo está documentado en el estudio, "Un sistema de fotosíntesis artificial de diodo fotoquímico para la división de agua pura general de alta eficiencia sin asistencia", publicado en Comunicaciones de la naturaleza . Junto con Mi y Chowdhury, los coautores incluyen a Michel Trudeau del Centro de Excelencia en Electrificación del Transporte y Almacenamiento de Energía, Hydro-Québec y Hong Guo de la Universidad McGill.
El trabajo fue apoyado por la Oficina de Tecnologías de Celdas de Combustible del Departamento de Energía y Reducción de Emisiones de Alberta de EE. UU.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Michigan . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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