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El potencial de la energía solar para obtener combustible de hidrógeno

El potencial de la energía solar para obtener combustible de hidrógeno

En la lucha contra el cambio climático, los científicos han buscado formas de sustituir los combustibles fósiles por alternativas sin carbono, como el combustible de hidrógeno.

Un dispositivo conocido como célula química fotoeléctrica (PEC) tiene el potencial de producir combustible de hidrógeno a través de fotosíntesis artificial, una tecnología emergente de energía renovable que utiliza la energía de la luz solar para impulsar reacciones químicas como la división del agua en hidrógeno y oxígeno.

La clave del éxito de una PEC no solo radica en lo bien que reacciona su fotoelectrodo con la luz para producir hidrógeno, sino también oxígeno. Pocos materiales pueden hacer esto bien, y de acuerdo con la teoría, un material inorgánico llamado vanadato de bismuto (BiVO4) es un buen candidato.

Sin embargo, esta tecnología es todavía joven, y los investigadores en este campo han luchado para hacer un fotoelectrodo de BiVO4 que esté a la altura de su potencial en un dispositivo PEC. Ahora, como se informa en la revista Small, un equipo de investigación dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial (JCAP), un Centro de Innovación Energética del DOE, han obtenido nuevos e importantes conocimientos sobre lo que podría estar ocurriendo a escala nanométrica (mil millonésimas de metro) para el BiVO4.

«Cuando se hace un material, como un material inorgánico como el vanadato de bismuto, se podría asumir, con solo mirarlo a simple vista, que el material es homogéneo y uniforme en todas partes», dijo la autora principal Francesca Toma, una científica del JCAP en la División de Ciencias Químicas del Laboratorio de Berkeley. «Pero cuando puedes ver detalles en un material a nanoescala, de repente lo que asumías que era homogéneo es en realidad heterogéneo, con un conjunto de diferentes propiedades y composiciones químicas. Y si quieres mejorar la eficiencia del material de un fotoelectrodo, necesitas saber más sobre lo que ocurre a nanoescala».

En un estudio previo, Toma y la autora principal Johanna Eichhorn desarrollaron una técnica especial utilizando un microscopio de fuerza atómica en el laboratorio JCAP del Laboratorio de Berkeley para capturar imágenes de una película delgada de vanadato de bismuto a nanoescala para entender cómo las propiedades de un material pueden afectar su desempeño en un dispositivo artificial de fotosíntesis.

Los investigadores utilizaron el vanadato de bismuto como ejemplo de un fotoelectrodo porque el material puede absorber luz en el rango visible del espectro solar, y cuando se combina con un catalizador, sus propiedades físicas le permiten producir oxígeno en la reacción de separación de agua. El vanadato de bismuto es uno de los pocos materiales que puede hacer esto, y en este caso, la adición de una pequeña cantidad de molibdeno a BiVO4 mejora de alguna manera su rendimiento, explicó Toma.

Cuando el agua se divide en H2 y O2, es necesario que se formen enlaces de hidrógeno-hidrógeno y oxígeno-oxígeno. Pero si cualquier paso en la división del agua está fuera de sincronía, ocurrirán reacciones no deseadas, que podrían conducir a la corrosión. «Y si quieres escalar un material en un dispositivo comercial de descomposición del agua, nadie quiere algo que se degrade. Así que queríamos desarrollar una técnica que trazara qué regiones a nanoescala son las mejores para producir oxígeno», explicó Toma.

Trabajando con el científico David Shapiro, Toma y su equipo tomaron mediciones de alta resolución a nanoescala de granos en una delgada película de Mo-BiVO4, ya que el material se degradaba en respuesta a la reacción de descomposición del agua desencadenada por la luz y el electrolito.

«La heterogeneidad química a nanoescala en un material puede a menudo conducir a propiedades interesantes y útiles, y pocas técnicas de microscopía pueden sondear la estructura molecular de un material a esta escala», dijo Shapiro.

David Prendergast, director interino de la división de la Molecular Foundry, y Sebastián Reyes-Lillo, antiguo investigador postdoctoral de la misma, ayudaron al equipo a entender cómo responde Mo-BiVO4 a la luz desarrollando herramientas computacionales para analizar la «huella» espectral de cada molécula. Reyes-Lillo es actualmente profesor en la Universidad Andrés Bello de Chile y usuario de la Molecular Foundry.

«La técnica de Prendergast es realmente poderosa», dijo Toma. «A menudo, cuando tienes materiales complejos y heterogéneos hechos de diferentes átomos, los datos experimentales que obtienes no son fáciles de entender. Este enfoque te dice cómo interpretar esos datos. Y si entendemos mejor los datos, podemos crear mejores estrategias para que los fotoelectrodos Mo-BiVO4 sean menos vulnerables a la corrosión durante la descomposición del agua».

Reyes-Lillo añadió que el uso de esta técnica por parte de Toma y el trabajo en el JCAP permitió un entendimiento más profundo de Mo-BiVO4 que de otra manera no sería posible. «El método revela huellas químicas específicas de elementos de la estructura electrónica local de un material, lo que lo hace especialmente adecuado para el estudio de fenómenos a nanoescala. Nuestro estudio representa un paso hacia la mejora del rendimiento de los materiales semiconductores basados en BiVO4 para las tecnologías de combustible solar», dijo. (Fuente: NCYT Amazings)

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