Hidrógeno, almacenamiento y producción: evolución y tecnologías H2

¡Produciendo hidrógeno con aire ambiente!

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Los químicos de la EPFL han inventado una lámina solar artificial, basada en un nuevo electrodo transparente y poroso. Puede recolectar agua atmosférica y convertirla en hidrógeno. Esta tecnología de semiconductores es sencilla de fabricar y de implementar a gran escala.

Durante décadas, los científicos han soñado con un dispositivo que funcione completamente con energía solar para recolectar agua de la atmósfera y convertirla en hidrógeno. En EPFL, el ingeniero y químico Kevin Sivula ha dado un paso importante hacia la realización de este concepto. Con su equipo, desarrolló un sistema tan simple como ingenioso. Combina tecnologías de semiconductores y electrodos innovadores que exhiben dos características clave: porosidad, para maximizar el contacto con el agua atmosférica, y transparencia, para optimizar la exposición a la luz solar del recubrimiento semiconductor. Bajo la luz natural, el dispositivo extrae agua del aire circundante y produce hidrógeno. Los resultados se publican en Materiales Avanzados. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10. ... .202208740

¿Dónde reside la innovación? En electrodos de difusión de gas, transparentes, porosos y conductores. Permiten así que esta tecnología solar transforme el agua, presente en el aire en estado gaseoso, en hidrógeno.

"Para una sociedad sostenible, necesitamos encontrar nuevas formas de almacenar energía renovable en una forma química que pueda usarse como combustible o como materia prima para la industria", dice el autor principal Kevin Sivula, del Laboratorio de Ingeniería Molecular de Nanomateriales Optoelectrónicos de la EPFL. . La luz del día es la forma más abundante de energía renovable y estamos trabajando para desarrollar formas económicamente viables de producir combustibles solares”.

Inspirado en las hojas de las plantas.
En su trabajo para combustibles renovables no fósiles, los ingenieros de EPFL, en colaboración con Toyota Motor Europe, se inspiraron en la capacidad de las plantas para convertir la luz del día en energía química aprovechando el dióxido de carbono presente en la atmósfera. Básicamente, las plantas recolectan CO2 y agua de su entorno y luego, a través del aumento de energía de la luz solar, convierten estas moléculas en azúcares y almidón. Un proceso conocido como fotosíntesis.

Diseñados por Kevin Sivula y su equipo, los electrodos transparentes de difusión de gas se pueden recubrir con un material semiconductor que capta la luz. Actúa así como una hoja, recogiendo la luz y el agua presentes en la atmósfera para producir hidrógeno. La energía solar se almacena en forma de puentes de hidrógeno.

En lugar de producir electrodos de la forma tradicional, con capas opacas, su sustrato consiste en una malla tridimensional de fibras de vidrio.

“Fue difícil desarrollar nuestro prototipo, porque los electrodos transparentes con difusión de gas nunca habían sido objeto de una demostración previa, explica Marina Caretti, autora a cargo del estudio. Para cada paso, tuvimos que desarrollar nuevos procedimientos. Pero, dado que cada paso es relativamente simple y fácil de escalar, creo que nuestro enfoque abrirá nuevos horizontes para una variedad de aplicaciones, comenzando con sustratos de difusión de gas para la generación de energía solar hidrógeno".

De líquido a humedad atmosférica
Kevin Sivula y otros grupos de investigación ya han demostrado que se puede lograr la fotosíntesis artificial generando hidrógeno a partir del agua y la luz solar con una celda fotoelectroquímica (PEC). Esta celda se conoce generalmente como un dispositivo que utiliza luz incidente para estimular un material fotosensible, por ejemplo un semiconductor, que se sumerge en una solución líquida para provocar una reacción química. Desde un punto de vista práctico, el proceso tiene desventajas. Por ejemplo, es complicado producir dispositivos PEC de gran área que aprovechen el líquido.

Kevin Sivula quería demostrar que la tecnología PEC se puede adaptar para recolectar la humedad atmosférica. Esto condujo al desarrollo de su electrodo de difusión de gas. Se ha demostrado que las celdas electroquímicas funcionan con gases en lugar de líquidos. Pero hasta ahora, los electrodos de difusión de gas han sido opacos e incompatibles con la tecnología solar PEC.

Los científicos ahora se están enfocando en optimizar el sistema. ¿Cuál es el tamaño de fibra ideal? ¿El ancho de poro perfecto? ¿Los mejores materiales semiconductores y de membrana? Estas son las preguntas que persiguen como parte del proyecto europeo “Sun-to-X”, dedicado a hacer avanzar esta tecnología y desarrollar nuevas formas de convertir hidrógeno en combustibles líquidos.

Fabricación de electrodos de difusión de gas transparentes
Para producir electrodos de difusión de gas transparentes, los científicos comenzaron con una especie de lana de vidrio. Se trata esencialmente de fibras de cuarzo (u óxido de silicio), transformadas en láminas de fieltro, fundiéndolas a alta temperatura. Posteriormente, las placas se recubren con una película transparente de óxido de estaño mejorado con flúor. Un material conocido por su excelente conductividad, robustez y facilidad de producción en masa. Estos primeros pasos dan como resultado una placa transparente, porosa y conductora, esencial para maximizar el contacto con las moléculas de agua presentes en el aire, así como para permitir el paso de los fotones. La placa está cubierta con otro revestimiento: una película delgada de materiales semiconductores que absorben la luz. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c00126
Esta segunda capa sigue dejando pasar la luz, aunque parece opaca debido a la gran superficie del sustrato poroso. Tal como está, la oblea ya puede producir hidrógeno cuando se expone al sol.

Los científicos procedieron a desarrollar una pequeña cámara que contiene la placa, así como una membrana para separar el gas producido, con el fin de realizar mediciones. Cuando la cámara se expone a la luz en condiciones de humedad, se produce hidrógeno. Ese era el objetivo de los científicos. Muestran que es posible hacer un electrodo transparente con difusión de gas para producir hidrógeno a partir de la energía solar.

Los científicos no estudiaron formalmente la eficiencia de la conversión en su demostración. Pero el equipo está de acuerdo en que sigue siendo modesto con este prototipo, menos de lo que son capaces de hacer las células PEC de base líquida. Con los materiales actuales, la eficiencia máxima teórica de la placa para la conversión de hidrógeno solar es del 12 %, mientras que se ha demostrado una eficiencia del 19 % para las células de base líquida.

referencias
Sustratos conductores porosos transparentes para la producción fotoelectroquímica de hidrógeno en fase gaseosa
Marina Caretti, Elizaveta Mensi, Raluca-Ana Kessler, Linda Lazouni, Benjamin Goldman, Loï Carbone, Simon Nussbaum, Rebekah A. Wells, Hannah Johnson, Emeline Rideau, Jun-ho Yum, Kevin Sivula
https://doi.org/10.1002/adma.202208740

Obamot escribió:Aunque entiendo el significado que le quieres dar ("parecería un cierto fracaso"... eventualmente según tú.) no entendemos la lógica.

(...)

Y ahí de entrada ya sacamos un 12%... ¡Vaya!