Cuando el científico de Lawrence Livermore, Tadashi Ogitsu, arrendó un automóvil con celda de combustible de hidrógeno en 2017, sabía que su viaje diario cambiaría para siempre. No hay gases de efecto invernadero que salgan del tubo de escape, solo un poco de vapor de agua.

El mercado de los coches de hidrógeno está creciendo. Según un informe reciente de la Comisión de Energía de California y la Junta de Recursos del Aire de California, el estado alberga ahora 31 estaciones de combustible de hidrógeno.

El próximo desafío es lograr que el combustible de hidrógeno sea rentable y sostenible.

"El hidrógeno se puede producir a partir de múltiples fuentes, pero el santo grial es hacerlo a partir del agua y la luz del sol, "dijo Ogitsu, científico de planta del Grupo de Simulaciones Cuánticas del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL). También es miembro del comité directivo del Consorcio de Materiales de Separación de Agua Avanzados HydroGEN, un consorcio liderado por un laboratorio en la Red de Materiales Energéticos del Departamento de Energía (DOE). Se centra en la producción de hidrógeno a partir de agua mediante electrólisis avanzada de alta y baja temperatura, así como los procesos fotoelectroquímicos y termoquímicos solares y se administra a través de la Oficina de Tecnologías de Celdas de Combustible de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable (EERE) del DOE.

Uno de los desafíos asociados con las tecnologías de división de agua impulsadas por energía solar para la producción de hidrógeno es la estabilidad del dispositivo que realiza la tarea. En la producción de hidrógeno fotoelectroquímico (PEC), un fotoabsorbente semiconductor que capta la luz solar se sumerge directamente en una solución de electrolito a base de agua. Un desafío es que muchos de los materiales fotoabsorbentes más eficientes, como el silicio y el fosfuro de indio, son a menudo inestables en las condiciones de funcionamiento de PEC. Esto se debe principalmente a reacciones químicas en la interfaz sólido / líquido, algunos de los cuales dan como resultado la oxidación y degradación del material.

Junto con colegas de la Universidad de Notre Dame y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Los científicos de LLNL han desarrollado una técnica de teoría-experimento integrada para interrogar la química en las interfaces sólido / líquido. Esta técnica se aplicó para comprender los óxidos formados en superficies de fosfuro de galio (GaP) y fosfuro de indio (InP) en condiciones relevantes para la producción de hidrógeno PEC. un primer paso hacia el control de la química de estos materiales. La investigación aparece en la portada de la Revista de letras de química física en la edición del 4 de enero.

Ogitsu, Brandon Wood y el autor principal Tuan Anh Pham aprovecharon las capacidades de computación de alto rendimiento en LLNL para simular posibles especies químicas que pueden ocurrir en superficies fotoabsorbentes en contacto con medios acuosos. Estas especies se caracterizaron luego mediante huellas dactilares espectroscópicas utilizando cálculos de mecánica cuántica.

Investigadores de Notre Dame validaron experimentalmente los cálculos utilizando espectroscopía de fotoelectrones de rayos X de última generación. Más allá de proporcionar una comprensión detallada de la química en la interfaz sólido / líquido, los autores exploraron cómo afecta la estabilidad de los semiconductores durante el funcionamiento. Por ejemplo, ellos descubrieron que, en comparación con GaP, la red de hidrógeno cerca de las superficies de InP es mucho más fluida, facilitando la autocuración de las imperfecciones de la superficie que resultan en una mejor resistencia a la corrosión del InP.

"Los rápidos avances en los métodos computacionales y experimentales ahora hacen posible integrar directamente los dos de una manera que no hemos visto antes, ", Dijo Pham." Esto proporciona una nueva forma de comprender la química de interfaces muy complejas que de otro modo no se podrían abordar con una sola técnica. Nuestro trabajo es una hoja de ruta para probar este tipo de interfaces en una amplia variedad de tecnologías energéticas ".