La integración del nanomaterial con la molécula absorbente de luz potencia la producción de hidrógeno del agua y el sol.
En línea con el agotamiento de los combustibles fósiles y los problemas ambientales a los que se enfrenta nuestra civilización, el desarrollo de tecnología para la generación de energía limpia es un tema de interés mundial. Entre los diversos métodos propuestos para generar energía limpia, se muestra la división fotocatalítica del agua. Este método utiliza energía solar para dividir las moléculas de agua H2O y obtener dihidrógeno H2. El H2 se puede utilizar como combustible libre de carbono o como materia prima en la producción de muchos químicos importantes.
Un equipo de investigación dirigido por Kazuhiko Maeda en Tokyo Tech ha desarrollado un nuevo fotocatalizador que consiste en láminas de óxido de metal a nanoescala y una molécula de tinte de rutenio, que funciona de acuerdo con un mecanismo similar a las células solares sensibilizadas por colorante. Fotocatalíticamente activo para la división general del agua en H2 y O2 tienen espacios de banda ancha, los óxidos sensibilizados por colorantes pueden utilizar la luz visible, el componente principal de la luz solar. El nuevo fotocatalizador es capaz de generar H2 a partir del agua con una frecuencia de rotación de 1960 por hora y un rendimiento cuántico externo del 2,4%.
Estos resultados son los más altos registrados para los fotocatalizadores sensibilizados con colorante bajo luz visible, lo que lleva al equipo de Maeda un paso más cerca del objetivo de la fotosíntesis artificial: replicar el proceso natural de usar agua y luz solar para producir energía de manera sostenible.
El nuevo material, reportado en Revista de la Sociedad Americana de Química , se construye a partir de nanopartículas de niobato de calcio de alta superficie HCa2Nb3O10 intercaladas con nanoclusters de platino Pt como sitios de evolución de H2. Sin embargo, las nanoplacas modificadas con platino no funcionan solas, ya que no absorben la luz solar de manera eficiente. Por lo tanto, una molécula de colorante de rutenio que absorbe la luz visible se combina con la nanocapa, lo que permite la evolución de H2 impulsada por el sol.
Lo que hace que el material sea eficiente es el uso de nanosheets, que se pueden obtener mediante la exfoliación química de HCa2Nb3O10 laminar. El área de superficie alta y la flexibilidad estructural de los nanosheets maximizan las cargas de tinte y la densidad de los sitios de evolución de H2, que a su vez mejoran la eficiencia de la evolución de H2. Además, para optimizar el rendimiento, el equipo de Maeda modificó las nanocapas con alúmina amorfa, que desempeña un papel importante en la mejora de la eficiencia de transferencia de electrones. «Sin precedentes, la modificación de la alúmina para las nanohojas promueve la regeneración del colorante durante la reacción, sin obstaculizar el electrón inyección del tinte en estado excitado a la nanoescala: el paso principal de la evolución H2 sensibilizada por tinte «, dice Maeda.
«Hasta hace poco, se consideraba muy difícil lograr la evolución del H2 a través de la división general del agua bajo luz visible utilizando un fotocatalizador sensibilizado con colorante con alta eficiencia», explica Maeda. «Nuestro nuevo resultado demuestra claramente que esto es realmente posible, utilizando un híbrido molécula-nanomaterial cuidadosamente diseñado «
Todavía se necesita más investigación, ya que será necesario optimizar aún más el diseño del fotocatalizador híbrido para mejorar la eficiencia y la durabilidad a largo plazo. La división del agua fotocatalítica puede ser un medio crucial para satisfacer las demandas energéticas de la sociedad sin dañar aún más el medio ambiente.
Rodio para generar hidrógeno
Otro estudio de energías renovables ha empleado rodio como catalizador.
En concreto, se están investigando todo tipo de nuevas celdas para placas solares que sean más eficientes que las actuales. Ahora, un grupo de científicos ha conseguido crear una molécula que aprovecha todo el espectro de luz para alcanzar una eficiencia nunca vista en este campo.
Esta molécula es capaz de absorber eficientemente la luz solar y actúa como un catalizador para transformar la energía solar en hidrógeno, lo cual puede ser también ideal para los coches con pila de hidrógeno o motores que funcionen con él para generar electricidad limpia al lado de las huertas solares. La molécula es capaz de recoger energía de todo el espectro visible de luz (incluidos los infrarrojos), siendo esta cifra un 50% superior que la energía que son capaces de generar las celdas actuales.
Los investigadores, pertenecientes al Ohio State University Center for Chemical and Biophysical Dynamics y liderados por Claudia Burro, afirman que la clave de esta energía no es sólo su mayor eficiencia, sino la posibilidad de almacenar la energía en forma de hidrógeno en lugar de tener que almacenar la electricidad en baterías como ocurre actualmente con la energía solar fotovoltaica. Además, la ventaja de usar hidrógeno como combustible es que no genera dióxido de carbono ni contaminantes tras su uso.
La molécula tiene una eficiencia sin precedentes
Las moléculas lo que hacen básicamente es utilizar los electrones derivados de los fotones para hacer el hidrógeno.
Actualmente, las celdas solares crean movimiento entre los electrones existentes, y no nuevos electrones. Así, cuando un fotón entra en contacto con la celda solar, la energía se transfiere a un electrón y se libera de su átomo. Otro electrón llena el hueco dejado, y así se va generando corriente.
El proceso de convertir energía en combustible requiere también un mecanismo para almacenar esa energía. La conversión necesita un catalizador para acelerar la reacción química para convertirlo en algo usable como es el hidrógeno en este caso.
Los intentos previos de convertir energía solar en hidrógeno se habían centrado en ondas de alta frecuencia, como las ultravioletas. También se había intentado usar catalizadores hechos de dos o más moléculas, que intercambian electrones conforme van creando combustible a través de la energía solar, pero perdiendo energía en el intercambio y haciéndolo muy ineficiente. Otros intentos de usar una sola molécula habían resultado también ser ineficientes por no aprovechar el espectro completo y por degradarse muy rápido.
El rodio, capaz de transformar la energía solar en hidrógeno
La molécula que han creado los investigadores está basada en rodio, un elemento químico poco abundante del grupo del platino y que se encuentra en minas de este último. Gracias a ello, se pierde menos energía y es 25 veces más eficiente que las moléculas previas que sólo aprovechaban luz ultravioleta.
Al aprovechar todo el espectro de luz, los investigadores probaron a usar luces LED en la solución ácida que contenía la molécula. Cuando lo hicieron, comprobaron que el resultado era la producción de hidrógeno.
Antes de llevar este descubrimiento al mundo real tienen mucho trabajo por delante. Para empezar, el rodio es un metal muy escaso y producir catalizadores basados en rodio es muy caro. De momento sus dos objetivos son hacer que la producción de hidrógeno se mantenga durante un período de tiempo más largo, así como usar un catalizador hecho de un material más barato.
