Generar y almacenar energía renovable, como la energía solar o eólica, es una barrera clave para una economía de energía limpia. Cuando el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial JCAP se estableció en Caltech y sus instituciones asociadas en 2010, el Departamento de EE. UU.of Energy DOE Energy Innovation Hub tenía un objetivo principal: un método rentable para producir combustibles utilizando solo luz solar, agua y dióxido de carbono, imitando el proceso natural de la fotosíntesis en las plantas y almacenando energía en forma de combustibles químicos para su usoa pedido: en los últimos cinco años, los investigadores de JCAP han realizado importantes avances hacia este objetivo, y ahora informan sobre el desarrollo del primer sistema solar completo, eficiente, seguro e integrado para dividir el agua para crear combustibles de hidrógeno.
"Este resultado fue un hito de proyecto extenso para los cinco años completos de JCAP en su conjunto, y no solo hemos logrado este objetivo, sino que lo hemos logrado a tiempo y dentro del presupuesto", dice Nate Lewis de Caltech, George L. ArgyrosProfesor y profesor de química, y el director científico de JCAP.
El nuevo sistema de generación de combustible solar, u hoja artificial, se describe en la edición en línea del 24 de agosto de la revista Energía y Ciencias del Medio Ambiente . El trabajo fue realizado por investigadores en los laboratorios de Lewis y Harry Atwater, director de JCAP y Howard Hughes Profesor de Física Aplicada y Ciencia de Materiales.
"Este logro se basó en el conocimiento, las percepciones y las capacidades de JCAP, que ilustra lo que un equipo integrado puede lograr en un esfuerzo a escala Hub", dice Atwater. "El dispositivo que se informó aquí surgió de un período de varios años,esfuerzo a gran escala para definir el diseño y los componentes de materiales necesarios para un generador integrado de combustibles solares ".
El nuevo sistema consta de tres componentes principales: dos electrodos, un fotoanodo y un fotocátodo, y una membrana. El fotoanodo utiliza la luz solar para oxidar las moléculas de agua, generando protones y electrones, así como oxígeno gaseoso. El fotocátodo recombina los protonesy electrones para formar hidrógeno gaseoso. Una parte clave del diseño de JCAP es la membrana de plástico, que mantiene separados los gases de oxígeno e hidrógeno. Si los dos gases se mezclan y se encienden accidentalmente, puede producirse una explosión; la membrana permiteel combustible de hidrógeno se recoge por separado bajo presión y se empuja de forma segura a una tubería.
Los semiconductores como el silicio o el arseniuro de galio absorben la luz de manera eficiente y, por lo tanto, se usan en paneles solares. Sin embargo, estos materiales también se oxidan u oxidan en la superficie cuando se exponen al agua, por lo que no se pueden usar para generar combustible directamente. Un avance importanteeso permitió que el sistema integrado se desarrollara fue un trabajo previo en el laboratorio de Lewis, que demostró que la adición de una capa de dióxido de titanio TiO2 de un grosor de nanómetros, un material que se encuentra en la pintura blanca y muchas pastas dentales y protectores solares, podría evitarel nuevo sistema completo de generación de combustible solar desarrollado por Lewis y sus colegas utiliza una capa de TiO2 de 62.5 nanómetros de espesor para prevenir la corrosión y mejorar la estabilidad de un fotoelectrodo a base de arseniuro de galio.
Otro avance clave es el uso de catalizadores activos y económicos para la producción de combustible. El fotoanodo requiere un catalizador para impulsar la reacción esencial de división del agua. Los metales raros y costosos como el platino pueden servir como catalizadores efectivos, pero en su trabajo el equipodescubrió que podría crear un catalizador activo mucho más barato al agregar una capa de níquel de 2 nanómetros de espesor a la superficie del TiO2. Este catalizador se encuentra entre los catalizadores más activos conocidos para dividir las moléculas de agua en oxígeno, protones y electrones yes una clave para la alta eficiencia que muestra el dispositivo.
El fotoanodo se cultivó en un fotocatodo, que también contiene un catalizador de níquel-molibdeno altamente activo y económico, para crear un material único totalmente integrado que sirve como un sistema completo de división de agua impulsado por el sol.
Un componente crítico que contribuye a la eficiencia y la seguridad del nuevo sistema es la membrana de plástico especial que separa los gases y evita la posibilidad de una explosión, al tiempo que permite que los iones fluyan sin problemas para completar el circuito eléctrico en la celda.Todos los componentes son estables en las mismas condiciones y trabajan juntos para producir un sistema totalmente integrado de alto rendimiento. El sistema de demostración tiene aproximadamente un centímetro cuadrado de área, convierte el 10 por ciento de la energía de la luz solar en energía almacenada en el combustible químicoy puede funcionar durante más de 40 horas seguidas.
"Este nuevo sistema destruye todos los registros combinados de seguridad, rendimiento y estabilidad para la tecnología de hojas artificiales por factores de 5 a 10 o más", dice Lewis.
"Nuestro trabajo muestra que, de hecho, es posible producir combustibles a partir de la luz solar de manera segura y eficiente en un sistema integrado con componentes económicos", agrega Lewis, "Por supuesto, todavía tenemos trabajo que hacer para extender la vida útil del sistema ydesarrollar métodos para la fabricación rentable de sistemas completos, los cuales están en progreso "
Debido a que el trabajo reunió varios componentes que fueron desarrollados por múltiples equipos dentro de JCAP, el coautor Chengxiang Xiang, quien es co-líder del proyecto de creación de prototipos y escalamiento de JCAP, dice que el resultado final exitoso fue un esfuerzo de colaboración ". La investigación de JCAPy el desarrollo en diseño de dispositivos, simulación y descubrimiento e integración de materiales, todo encauzado en la demostración de este nuevo dispositivo ", dice Xiang.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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