25/02/2014 - Nuevos materiales para una producción de hidrógeno más competitiva

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La generación de electricidad no es la única manera de convertir en energía la radiación solar. El sol también puede propiciar reacciones químicaspara crear combustibles, como el hidrógeno, que puede ser usado en la propulsión de vehículos a motor.

Actualmente el principal problema de la producción de combustible a partir del sol es su coste, y en particular, el coste de los semiconductores que captan la radiación solar y de los catalizadores que generan el combustible.

Los materiales más eficientes son demasiado caros para producir combustible a un precio que pueda competir con los combustibles fósiles actuales. "Es necesario reducir el coste de estos dispositivos para hacerlos viables y comercialmente competitivos para la producción de combustibles solares", dice Kyoung-Shin Choi, profesor de química en la  Universidad de Wisconsin-Madison.

Células solares de vanadato de bismuto

En un estudio publicado la semana pasada en la revista Science , Choi y el investigador postdoctoral Tae Woo Kim, combinan materiales baratos a base de óxido para disociar el agua en gases de hidrógeno y oxígeno utilizando la energía solar con una eficiencia de conversión de energía solar e hidrógeno del 1,7 por ciento, la más alto reportada para cualquier sistema de fotoelectrodo basado en óxido.

Choi creó células solares de vanadato de bismuto mediante electrodeposición - el mismo proceso empleado para hacer la joyería chapada en oro o carrocerías de automóvil- para aumentar la superficie del compuesto a un notable índice de 32 metros cuadrados por cada gramo.

Kyoung-Shin Choi

"Sin un equipo de lujo, ni alta temperatura o alta presión , hicimos un semiconductor nanoporoso de partículas muy pequeñas que tienen una gran superficie", dice Choi cuyo trabajo cuenta con el apoyo de la National Science Foundation. "Más área de superficie significa más área de contacto con el agua, y, por lo tanto, una división de agua más eficiente".

El vanadato de bismuto necesita ayuda en la aceleración de la reacción que produce el combustible, y ahí es donde los catalizadores entran en acción.

Si bien hay muchos grupos de investigación que trabajan en el desarrollo de semiconductores fotoeléctricos, y muchos también en el desarrollo de catalizadores para la división de agua, de acuerdo con Choi la unión de semiconductor y catalizador había suscitado relativamente poca atención.

"El problema es que al final los tienes que poner juntos" explica Choi. "Incluso si tienes el mejor semiconductor del mundo y el mejor catalizador, su eficiencia general puede estar limitada por la interfaz del semiconductor - catalizador. "

Choi y Kim exploraron un par de catalizadores baratos y bastante imperfectos -a base de óxido de hierro y óxido de níquel- apilándolos en el vanadato de bismuto para aprovechar sus fortalezas relativas.

"Ningún catalizador puede trabajar como buen interfaz con un semiconductor y con el agua, que es nuestra reactivo. Por este motivo optamos por dividir esta acción en dos partes ", dice Choi, "el óxido de hierro es un buen cruce con vanadato de bismuto, y el óxido de níquel hace que una buena interfaz catalítica con agua. Así que los usamos juntos".

La combinación de este dúo catalizador barato con el electrodo semiconductor nanoporoso de alta superficie resultó en la construcción de un sistema de bajo costo de fotoelectrodo de base de óxido con un alto récord de eficiencia.

"Otros investigadores que estudian diferentes tipos de semiconductores o diferentes tipos de catalizadores pueden empezar a utilizar este enfoque para identificar qué combinaciones de materiales pueden ser aún más eficiente", dice Choi, cuyo laboratorio ya está modificando su diseño, “con algo de ingeniería, la eficiencia que hemos logrado se podría mejorar muy rápido"

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