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Durante décadas, investigadores de todo el mundo han buscado formas de utilizar la energía solar para generar la reacción clave para producir hidrógeno como fuente de energía limpia: dividir las moléculas de agua para formar hidrógeno y oxígeno. Sin embargo, estos esfuerzos han fracasado en su mayoría porque hacerlo bien era demasiado costoso, y tratar de hacerlo a bajo coste conducía a un pobre rendimiento.
Ahora, investigadores de la Universidad de Texas en Austin han encontrado una manera económica de resolver una de las mitades de la ecuación, empleando la luz solar para separar eficazmente las moléculas de oxígeno del agua. El hallazgo, publicado el 25 de junio en Nature Communications, representa un paso adelante hacia una mayor adopción del hidrógeno como parte fundamental de nuestra infraestructura energética.
Ya en la década de 1970, los investigadores estudiaron la posibilidad de utilizar la energía solar para generar hidrógeno. Pero la incapacidad de encontrar materiales con la combinación de propiedades necesarias para un dispositivo que pueda realizar las reacciones químicas clave de forma eficiente ha impedido que se convierta en un método habitual.
"Se necesitan materiales que absorban bien la luz solar y que, al mismo tiempo, no se degraden mientras se producen las reacciones de separación del agua", explica Edward Yu, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Cockrell School. "Resulta que los materiales que son buenos para absorber la luz solar tienden a ser inestables en las condiciones requeridas para la reacción de división del agua, mientras que los materiales que son estables tienden a ser malos absorbentes de la luz solar. Estos requisitos contradictorios llevan a un compromiso aparentemente inevitable, pero al combinar varios materiales -uno que absorbe eficazmente la luz solar, como el silicio, y otro que proporciona una buena estabilidad, como el dióxido de silicio- en un solo dispositivo, este conflicto puede resolverse".
Sin embargo, esto crea otro desafío: los electrones y los agujeros creados por la absorción de la luz solar en el silicio deben poder moverse fácilmente a través de la capa de dióxido de silicio. Esto suele requerir que la capa de dióxido de silicio no tenga más de unos pocos nanómetros, lo que reduce su eficacia a la hora de proteger el absorbente de silicio de la degradación.
La clave de este avance se debe a un método para crear caminos conductores de electricidad a través de una capa gruesa de dióxido de silicio que puede realizarse a bajo coste y escalarse a grandes volúmenes de fabricación. Para conseguirlo, Yu y su equipo utilizaron una técnica que se utilizó por primera vez en la fabricación de chips electrónicos semiconductores. Al recubrir la capa de dióxido de silicio con una fina película de aluminio y calentar a continuación toda la estructura, se forman conjuntos de "picos" de aluminio a nanoescala que puentean completamente la capa de dióxido de silicio. Estos pueden sustituirse fácilmente por níquel u otros materiales que ayuden a catalizar las reacciones de separación del agua.
Cuando son iluminados por la luz solar, los dispositivos pueden oxidar eficazmente el agua para formar moléculas de oxígeno, al tiempo que generan hidrógeno en un electrodo separado, y presentan una estabilidad extraordinaria en un funcionamiento prolongado. Dado que las técnicas empleadas para crear estos dispositivos se utilizan habitualmente en la fabricación de semiconductores electrónicos, deberían ser fáciles de escalar para su producción en masa.
El equipo ha presentado una solicitud de patente provisional para comercializar la tecnología.
Mejorar la forma de generar el hidrógeno es fundamental para que se convierta en una fuente de combustible viable. La mayor parte de la producción de hidrógeno actual se realiza mediante el calentamiento de vapor y metano, pero esto depende en gran medida de los combustibles fósiles y produce emisiones de carbono.
Existe un impulso hacia el "hidrógeno verde", que utiliza métodos más respetuosos con el medio ambiente para generar hidrógeno. Y la simplificación de la reacción de separación del agua es una parte clave de ese esfuerzo.
El hidrógeno tiene potencial para convertirse en un importante recurso renovable con algunas cualidades únicas. Ya desempeña un papel importante en procesos industriales significativos, y está empezando a aparecer en la industria del automóvil. Las baterías de pila de combustible parecen prometedoras para el transporte de larga distancia, y la tecnología del hidrógeno podría ser una gran ayuda para el almacenamiento de energía, con la capacidad de almacenar el exceso de energía eólica y solar producida cuando las condiciones sean propicias para ello.
En el futuro, el equipo trabajará para mejorar la eficiencia de la parte de oxígeno de la división del agua aumentando la velocidad de reacción. El siguiente gran reto de los investigadores es pasar a la otra mitad de la ecuación.
"Pudimos abordar primero el lado del oxígeno de la reacción, que es la parte más difícil", dijo Yu, "pero es necesario llevar a cabo tanto las reacciones de evolución del hidrógeno como del oxígeno para dividir completamente las moléculas de agua, por lo que nuestro siguiente paso es estudiar la aplicación de estas ideas para fabricar dispositivos para la parte del hidrógeno de la reacción."
Esta investigación ha sido financiada por la Fundación Nacional de la Ciencia de EE.UU. a través de la Dirección de Ingeniería y el programa de Centros de Investigación de Materiales, Ciencia e Ingeniería (MRSEC). Yu trabajó en el proyecto con los estudiantes de UT Austin Soonil Lee y Alex De Palma, junto con Li Ji, profesor de la Universidad de Fudan en China.
Fuentes, créditos y referencias:
Soonil Lee, Li Ji, Alex C. De Palma, Edward T. Yu. Scalable, highly stable Si-based metal-insulator-semiconductor photoanodes for water oxidation fabricated using thin-film reactions and electrodeposition. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-24229-y