Impulsar el "tándem" para la división del agua con energía solar
Los científicos combinan dos prometedores fotocatalizadores para obtener una mayor eficiencia de conversión solar en hidrógeno y una mayor durabilidad en una célula de división de agua
Es necesario abandonar los combustibles fósiles si queremos evitar una crisis medioambiental debida al calentamiento global. Tanto la industria como el mundo académico se han centrado en el hidrógeno como una alternativa limpia viable. El hidrógeno es prácticamente inagotable y, cuando se utiliza para generar energía, sólo produce vapor de agua. Sin embargo, para lograr una sociedad del hidrógeno verdaderamente ecológica, tenemos que ser capaces de producir hidrógeno en masa de forma limpia.
El uso de un fotoánodo de TiO2 semitransparente permite que el fotocátodo de SiC aproveche la luz transmitida. El uso de fotocatalizadores con diferentes huecos de energía da lugar a una mayor eficiencia de conversión.
Masashi Kato from Nagoya Institute of Technology
Una forma de hacerlo es dividir el agua mediante la "fotosíntesis artificial", un proceso en el que unos materiales llamados "fotocatalizadores" aprovechan la energía solar para producir oxígeno e hidrógeno a partir del agua. Sin embargo, los fotocatalizadores disponibles aún no están donde tienen que estar para que la división del agua mediante energía solar sea económicamente viable y escalable. Para conseguirlo, hay que resolver dos problemas principales: la baja eficiencia de conversión de energía solar en hidrógeno (STH) y la insuficiente durabilidad de las células fotoelectroquímicas de separación de agua.
En el Instituto Tecnológico de Nagoya (Japón), el profesor Masashi Kato y sus colegas se han esforzado por llevar los fotocatalizadores a un nivel superior, explorando nuevos materiales y sus combinaciones, y conociendo los mecanismos fisicoquímicos que subyacen a sus prestaciones. En su último estudio, publicado en la revista Solar Energy Materials and Solar Cells, el Dr. Kato y su equipo han conseguido hacerlo combinando óxido de titanio (TiO2) y SiC cúbico tipo p (3C-SiC), dos prometedores materiales fotocatalizadores, en una estructura en tándem que permite crear una célula de división de agua muy duradera y eficiente.
La estructura en tándem explorada por el equipo en su estudio tiene ambos materiales fotocatalizadores en serie, con un TiO2 semitransparente que funciona como fotoánodo y el 3C-SiC como fotocátodo. Dado que cada material absorbe la energía solar en diferentes bandas de frecuencia, la estructura en tándem puede aumentar notablemente la eficiencia de conversión de la célula de división de agua al permitir que una mayor parte de la luz entrante excite a los portadores de carga y genere las corrientes necesarias.
El equipo midió los efectos de la tensión externa aplicada y el pH en las fotocorrientes generadas en la célula y, a continuación, llevó a cabo experimentos de división de agua bajo diferentes intensidades de luz. También midieron las cantidades de oxígeno e hidrógeno generadas. Los resultados fueron muy alentadores, como señala el Dr. Kato: "La eficacia máxima de fotones aplicados a la corriente medida fue del 0,74%. Este valor, unido a la durabilidad observada de unos 100 días, sitúa a nuestro sistema de división de agua entre los mejores disponibles actualmente". Además, los resultados de este estudio apuntan a algunos de los posibles mecanismos que subyacen al rendimiento observado de la estructura en tándem propuesta.
Es necesario seguir investigando para mejorar los sistemas fotoelectroquímicos de separación de agua hasta que sean ampliamente aplicables. Aun así, este estudio es claramente un paso hacia un futuro limpio. "Nuestras aportaciones acelerarán el desarrollo de tecnologías de fotosíntesis artificial, que generarán recursos energéticos directamente a partir de la luz solar. Así, nuestros descubrimientos pueden ayudar a la realización de sociedades sostenibles", dice el Dr. Kato, hablando de su visión.
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