Investigadores de la Universidad de Illinois en Chicago han diseñado una célula solar potencialmente revolucionaria que convierte de forma económica y eficiente el dióxido de carbono atmosférico directamente en combustible de hidrocarburos utilizable, utilizando solo la luz solar como energía.
El hallazgo se informa en la edición del 29 de julio de ciencia y fue financiado por la National Science Foundation y el Departamento de Energía de los Estados Unidos. Se ha presentado una solicitud de patente provisional.
A diferencia de las células solares convencionales, que convierten la luz solar en electricidad que debe almacenarse en baterías pesadas, el nuevo dispositivo esencialmente hace el trabajo de las plantas, convirtiendo el dióxido de carbono atmosférico en combustible, resolviendo dos problemas cruciales a la vez. Una granja solar de tales "las hojas artificiales "podrían eliminar cantidades significativas de carbono de la atmósfera y producir un combustible denso en energía de manera eficiente.
"La nueva célula solar no es fotovoltaica, es fotosintética", dice Amin Salehi-Khojin, profesor asistente de ingeniería mecánica e industrial de la UIC y autor principal del estudio.
"En lugar de producir energía en una ruta unidireccional insostenible desde los combustibles fósiles hasta los gases de efecto invernadero, ahora podemos revertir el proceso y reciclar el carbono atmosférico en combustible utilizando la luz solar", dijo.
Mientras que las plantas producen combustible en forma de azúcar, la hoja artificial entrega gas de síntesis o gas de síntesis, una mezcla de gas de hidrógeno y monóxido de carbono. El gas de síntesis puede quemarse directamente o convertirse en diesel u otros combustibles de hidrocarburos.
La capacidad de convertir CO 2 en combustible a un costo comparable a un galón de gasolina volvería obsoletos los combustibles fósiles.
Reacciones químicas que convierten CO 2 en formas quemables de carbono se denominan reacciones de reducción, lo opuesto a oxidación o combustión. Los ingenieros han estado explorando diferentes catalizadores para impulsar el CO 2 reducción, pero hasta ahora tales reacciones han sido ineficientes y dependen de metales preciosos caros como la plata, dijo Salehi-Khojin.
"Lo que necesitábamos era una nueva familia de productos químicos con propiedades extraordinarias", dijo.
Salehi-Khojin y sus colegas se centraron en una familia de compuestos nanoestructurados llamados dichoslcogenuros de metales de transición, o TMDC, como catalizadores, combinándolos con un líquido iónico no convencional como el electrolito dentro de un electroquímico de dos compartimientos y tres electrodos.célula.
El mejor de varios catalizadores que estudiaron resultó ser el diselenuro de tungsteno de nanoflake.
"El nuevo catalizador es más activo; más capaz de romper los enlaces químicos del dióxido de carbono", dijo el investigador postdoctoral de la UIC, Mohammad Asadi, primer autor en el ciencia papel
De hecho, dijo, el nuevo catalizador es 1,000 veces más rápido que los catalizadores de metales nobles, y aproximadamente 20 veces más barato.
Otros investigadores han usado catalizadores TMDC para producir hidrógeno por otros medios, pero no por reducción de CO 2 . El catalizador no pudo sobrevivir a la reacción.
"Los sitios activos del catalizador se envenenan y se oxidan", dijo Salehi-Khojin. El avance, dijo, fue utilizar un fluido iónico llamado tetrafluoroborato de etil-metil-imidazolio, mezclado 50-50 con agua.
"La combinación de agua y el líquido iónico forma un cocatalizador que preserva los sitios activos del catalizador bajo las duras condiciones de reacción de reducción", dijo Salehi-Khojin.
La hoja artificial UIC consta de dos células fotovoltaicas de silicio de triple unión de 18 centímetros cuadrados para recoger la luz; el diselenuro de tungsteno y el sistema de cocatalizador de líquido iónico en el lado del cátodo; y óxido de cobalto en electrolito de fosfato de potasio en el lado del ánodo.
Cuando la luz de 100 vatios por metro cuadrado, aproximadamente la intensidad promedio que alcanza la superficie de la Tierra, energiza la célula, el hidrógeno y el monóxido de carbono burbujean desde el cátodo, mientras que se producen iones libres de oxígeno e hidrógeno en el ánodo.
"Los iones de hidrógeno se difunden a través de una membrana hacia el lado del cátodo, para participar en la reacción de reducción de dióxido de carbono", dijo Asadi.
La tecnología debería ser adaptable no solo para el uso a gran escala, como granjas solares, sino también para aplicaciones a pequeña escala, dijo Salehi-Khojin. En el futuro, dijo, puede resultar útil en Marte, cuya atmósfera es principalmentedióxido de carbono, si también se encuentra que el planeta tiene agua.
"Este trabajo se ha beneficiado de la importante historia de apoyo de NSF para la investigación básica que se alimenta directamente de tecnologías valiosas y logros de ingeniería", dijo el director del programa de NSF Robert McCabe.
McCabe dijo: "Los resultados combinan muy bien los estudios experimentales y computacionales para obtener una nueva visión de las propiedades electrónicas únicas de los dichoslcogenuros de metales de transición".las áreas de gran desafío de la catálisis relacionadas con la conversión de energía y el medio ambiente "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Illinois en Chicago . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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