Nuevo estándar para la tecnología del hidrógeno verde establecido por ingenieros de la Universidad Rice.
Los ingenieros de la Universidad Rice pueden convertir luz solar en hidrógeno con una eficiencia récord gracias a un dispositivo que combina la última generación semiconductores de perovskita de haluro* con electrocatalizadores en un dispositivo único, duradero, rentable y escalable.
Según la un estudio Publicado en Nature Communications, el dispositivo logró una eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno del 20.8%.
La nueva tecnología es un importante paso adelante para la energía limpia y podría servir como plataforma para una amplia gama de reacciones químicas que utilizan electricidad recolectada con energía solar para convertir materias primas en combustibles.
El laboratorio de ingeniería química y biomolecular. Aditya Mohite construyó el fotorreactor integrado utilizando una barrera anticorrosión que aísla el semiconductor del agua sin impedir la transferencia de electrones.
"El uso de la luz solar como fuente de energía para fabricar productos químicos es uno de los mayores obstáculos para una economía de energía limpia", dijo Austin Fehr, estudiante de doctorado en ingeniería química y biomolecular y uno de los autores principales del estudio.
“Nuestro objetivo es construir plataformas económicamente viables que puedan generar combustibles derivados del sol. Aquí, diseñamos un sistema que absorbe la luz y completa la electroquímica. química que divide el agua en su superficie”.
El dispositivo se conoce como celda fotoelectroquímica porque la absorción de luz, su conversión en electricidad y el uso de la electricidad para impulsar una reacción química ocurren en el mismo dispositivo. Hasta ahora, el uso de tecnología fotoelectroquímica para producir hidrógeno verde se veía obstaculizado por la baja eficiencia y el alto costo de los semiconductores.
"Todos los dispositivos de este tipo producen hidrógeno verde utilizando sólo luz solar y agua, pero el nuestro es excepcional porque tiene una eficiencia récord y utiliza un semiconductor que es muy barato", dijo Fehr.
El laboratorio mohita y sus colaboradores crearon el dispositivo girando sus célula solar altamente competitiva en un reactor que podría utilizar la energía recolectada para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno.
El desafío que tuvieron que superar fue que las perovskitas de haluro* son extremadamente inestables en el agua y los recubrimientos utilizados para aislar los semiconductores terminaron alterando su función o dañándolos.
"Durante los últimos dos años, hemos ido y venido probando diferentes materiales y técnicas", dijo Michael Wong, ingeniero químico de Rice y coautor del estudio.
Después de largas pruebas que no lograron obtener el resultado deseado, los investigadores finalmente encontraron una solución ganadora.
"Nuestra idea clave fue que se necesitaban dos capas para la barrera, una para bloquear el agua y otra para hacer un buen contacto eléctrico entre las capas de perovskita y la capa protectora", dijo Fehr.
“Nuestros resultados son la mayor eficiencia para células fotoelectroquímicas sin concentración solar y, en general, los mejores para aquellas que utilizan semiconductores de halogenuros de perovskita.
"Es una novedad en un campo que históricamente ha estado dominado por semiconductores prohibitivamente caros, y puede representar un camino hacia la viabilidad comercial de este tipo de dispositivo por primera vez", dijo Fehr.
Los investigadores demostraron que su diseño de barrera funcionaba para diferentes reacciones y con diferentes semiconductores, lo que lo hacía aplicable en muchos sistemas.
"Esperamos que estos sistemas sirvan como plataforma para impulsar una amplia gama de electrones a reacciones de formación de combustible utilizando abundantes materias primas con sólo la luz solar como aporte de energía", dijo Mohite.
"Con mayores mejoras en la estabilidad y la escala, esta tecnología podría abrir la economía del hidrógeno y cambiar la forma en que los humanos fabrican cosas desde combustibles fósiles hasta combustible solar", añadió Fehr.
Perovskita – Este mineral tiene una conductividad mayor que el silicio y es menos frágil. También es mucho más abundante en la Tierra. Durante la última década, esfuerzos considerables han dado lugar a desarrollos espectaculares, pero su adopción en la optoelectrónica del futuro sigue siendo un desafío.
Las células fotovoltaicas de perovskita siguen siendo inestables y sufren un envejecimiento prematuro. Además, contienen plomo, un material muy perjudicial para el medio ambiente y la salud humana. Por estos motivos, los paneles no pueden comercializarse.
Perovskitas híbridas halogenadas son una clase de materiales semiconductores que han sido objeto de especial investigación en los últimos años por sus notables propiedades fotoeléctricas y sus aplicaciones en sistemas fotovoltaicos.
