Un dispositivo que pueda recolectar agua del aire y proporcionar combustible de hidrógeno, totalmente alimentado por energía solar, ha sido sueño para los investigadores durante décadas. Ahora, el ingeniero químico de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) en Suiza, Kevin Sivula y su equipo, dieron un paso importante para acercar esta visión a la realidad.

Esto porque desarrollaron un ingenioso y simple sistema que combina tecnología basada en semiconductores con electrodos novedosos que tienen dos características clave: son porosos, para maximizar el contacto con el agua en el aire; y transparente, para maximizar la exposición a la luz solar del revestimiento semiconductor. Cuando el dispositivo simplemente se expone a la luz solar, toma agua del aire y produce gas hidrógeno. Los resultados de dicha publicación se publicaron ayer en la revista Advanced Materials.

“Para lograr una sociedad sostenible, necesitamos formas de almacenar energía renovable como productos químicos que puedan usarse como combustibles y materias primas en la industria. La energía solar es la forma más abundante de energía renovable, y nos esforzamos por desarrollar formas económicamente competitivas de producir combustibles solares”, señaló Sivula del Laboratorio de Ingeniería Molecular de Nanomateriales Optoelectrónicos de EPFL e investigador principal del estudio.

Inspiración de la hoja de una planta

En su investigación de combustibles renovables libres de fósiles, los ingenieros de EPFL, en colaboración con Toyota Motor Europe, se inspiraron en la forma en que las plantas pueden convertir la luz solar en energía química utilizando el dióxido de carbono del aire.

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Básicamente, una planta recolecta dióxido de carbono y agua de su entorno y, con el impulso adicional de energía de la luz solar, puede transformar estas moléculas en azúcares y almidones, un proceso conocido como fotosíntesis. La energía de la luz solar se almacena en forma de enlaces químicos dentro de los azúcares y almidones.

Los electrodos transparentes de difusión de gas desarrollados por Sivula y su equipo, cuando están recubiertos con un material semiconductor captador de luz, actúan como una hoja artificial, captando agua del aire y la luz solar para producir gas hidrógeno. La energía de la luz solar se almacena en forma de enlaces de hidrógeno. Luego, en lugar de construir electrodos con capas tradicionales que son opacas a la luz solar, su sustrato es en realidad una malla tridimensional de fibras de vidrio afieltradas.

Marina Caretti, autora principal del trabajo, dijo que “desarrollar nuestro prototipo de dispositivo fue un desafío, ya que los electrodos de difusión de gas transparentes no se habían demostrado previamente, y tuvimos que desarrollar nuevos procedimientos para cada paso. Sin embargo, dado que cada paso es relativamente simple y escalable, creo que nuestro enfoque abrirá nuevos horizontes para una amplia gama de aplicaciones a partir de sustratos de difusión de gas para la producción de hidrógeno impulsada por energía solar”.

Del agua líquida a la humedad del aire

Sivula y otros grupos de investigación demostraron previamente que es posible realizar fotosíntesis artificial generando combustible de hidrógeno a partir de agua líquida y luz solar utilizando un dispositivo llamado celda fotoelectroquímica (PEC). Una celda PEC se conoce generalmente como un dispositivo que utiliza la luz incidente para estimular un material fotosensible, como un semiconductor, sumergido en una solución líquida para provocar una reacción química. Pero a efectos prácticos, este proceso tiene sus desventajas, por ejemplo, es complicado fabricar dispositivos PEC de gran superficie que utilicen líquido.

Sivula quería demostrar que la tecnología PEC se puede adaptar para recolectar humedad del aire, lo que llevó al desarrollo de su nuevo electrodo de difusión de gas. Ya se ha demostrado que las celdas electroquímicas (por ejemplo, las celdas de combustible) funcionan con gases en lugar de líquidos, pero los electrodos de difusión de gas utilizados anteriormente son opacos e incompatibles con la tecnología PEC de energía solar.

Ahora, los investigadores están centrando sus esfuerzos en optimizar el sistema. ¿Cuál es el tamaño de fibra ideal? ¿El tamaño de poro ideal? ¿Los semiconductores y materiales de membrana ideales? Estas son preguntas que se están abordando en el Proyecto de la UE “Sun-to-X”, que se dedica a avanzar en esta tecnología y desarrollar nuevas formas de convertir hidrógeno en combustibles líquidos.

Fuente: actu.epfl.ch