Por décadas, Investigadores de todo el mundo han buscado formas de utilizar la energía solar para generar la reacción clave para producir hidrógeno como fuente de energía limpia:dividir las moléculas de agua para formar hidrógeno y oxígeno. Sin embargo, Tales esfuerzos han fracasado en su mayoría porque hacerlo bien era demasiado costoso, y tratar de hacerlo a bajo costo condujo a un rendimiento deficiente.

Ahora, investigadores de la Universidad de Texas en Austin han encontrado una forma económica de resolver la mitad de la ecuación, utilizando la luz solar para separar eficientemente las moléculas de oxígeno del agua. El hallazgo, publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza , representa un paso adelante hacia una mayor adopción del hidrógeno como parte clave de nuestra infraestructura energética.

Ya en la década de 1970, Los investigadores estaban investigando la posibilidad de utilizar energía solar para generar hidrógeno. Pero la incapacidad de encontrar materiales con la combinación de propiedades necesarias para un dispositivo que pueda realizar las reacciones químicas clave de manera eficiente ha impedido que se convierta en un método convencional.

"Necesita materiales que sean buenos para absorber la luz solar y, al mismo tiempo, no se degraden mientras tienen lugar las reacciones de desdoblamiento del agua, "dijo Edward Yu, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Escuela Cockrell. "Resulta que los materiales que son buenos para absorber la luz solar tienden a ser inestables en las condiciones requeridas para la reacción de división del agua, mientras que los materiales que son estables tienden a absorber pobremente la luz solar. Estos requisitos en conflicto lo llevan a una compensación aparentemente inevitable, pero al combinar varios materiales, uno que absorbe la luz solar de manera eficiente, como el silicio, y otro que aporte buena estabilidad, como el dióxido de silicio, en un solo dispositivo, este conflicto se puede resolver ".

Sin embargo, esto crea otro desafío:los electrones y los agujeros creados por la absorción de la luz solar en el silicio deben poder moverse fácilmente a través de la capa de dióxido de silicio. Esto generalmente requiere que la capa de dióxido de silicio no tenga más de unos pocos nanómetros, lo que reduce su eficacia para proteger el absorbente de silicio de la degradación.

La clave de este avance vino a través de un método para crear trayectorias eléctricamente conductoras a través de una capa gruesa de dióxido de silicio que se puede realizar a bajo costo y escalar a altos volúmenes de fabricación. Para llegar Yu y su equipo utilizaron una técnica que se implementó por primera vez en la fabricación de chips electrónicos semiconductores. Recubriendo la capa de dióxido de silicio con una fina película de aluminio y luego calentando toda la estructura, Se forman matrices de "picos" de aluminio a nanoescala que unen completamente la capa de dióxido de silicio. Estos pueden ser reemplazados fácilmente por níquel u otros materiales que ayuden a catalizar las reacciones de separación del agua.

Cuando está iluminado por la luz del sol, los dispositivos pueden oxidar el agua de manera eficiente para formar moléculas de oxígeno al mismo tiempo que generan hidrógeno en un electrodo separado y exhiben una estabilidad sobresaliente bajo un funcionamiento prolongado. Debido a que las técnicas empleadas para crear estos dispositivos se utilizan comúnmente en la fabricación de componentes electrónicos semiconductores, deben ser fáciles de escalar para la producción en masa.

El equipo ha presentado una solicitud de patente provisional para comercializar la tecnología.

Mejorar la forma en que se genera el hidrógeno es clave para que surja como una fuente de combustible viable. La mayor parte de la producción de hidrógeno en la actualidad se produce a través del calentamiento de vapor y metano, pero eso depende en gran medida de los combustibles fósiles y produce emisiones de carbono.

Hay un impulso hacia el "hidrógeno verde", que utiliza métodos más respetuosos con el medio ambiente para generar hidrógeno. Y simplificar la reacción de división del agua es una parte clave de ese esfuerzo.

El hidrógeno tiene el potencial de convertirse en un importante recurso renovable con algunas cualidades únicas. Ya tiene un papel importante en procesos industriales importantes, y está comenzando a aparecer en la industria automotriz. Las baterías de pila de combustible parecen prometedoras en el transporte de larga distancia, y la tecnología del hidrógeno podría ser de gran ayuda para el almacenamiento de energía, con la capacidad de almacenar el exceso de energía eólica y solar producida cuando las condiciones son propicias para ellos.

Avanzando, el equipo trabajará para mejorar la eficiencia de la porción de oxígeno de la división del agua aumentando la velocidad de reacción. El próximo gran desafío de los investigadores es pasar a la otra mitad de la ecuación.

"Primero pudimos abordar el lado del oxígeno de la reacción, que es la parte más desafiante, "Yu dijo, "pero es necesario realizar las reacciones de evolución de hidrógeno y oxígeno para dividir completamente las moléculas de agua, por eso nuestro próximo paso es aplicar estas ideas para hacer dispositivos para la porción de hidrógeno de la reacción ".