Un nuevo El dispositivo de fotosíntesis artificial estable duplica la eficiencia de aprovechar la luz solar para romper el agua dulce y salada. generando hidrógeno que luego se puede utilizar en pilas de combustible.

El dispositivo también podría reconfigurarse para convertir el dióxido de carbono nuevamente en combustible.

El hidrógeno es el combustible de combustión más limpia, con el agua como única emisión. Pero la producción de hidrógeno no siempre es respetuosa con el medio ambiente. Los métodos convencionales requieren gas natural o energía eléctrica. El método avanzado por el nuevo dispositivo, llamada división directa del agua solar, solo usa agua y luz del sol.

"Si podemos almacenar directamente la energía solar como combustible químico, como lo que hace la naturaleza con la fotosíntesis, podríamos resolver un desafío fundamental de las energías renovables, "dijo Zetian Mi, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Michigan que dirigió la investigación mientras estaba en la Universidad McGill en Montreal.

Faqrul Alam Chowdhury, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática en McGill, dijo que el problema con las células solares es que no pueden almacenar electricidad sin baterías, que tienen un coste global elevado y una vida útil limitada.

El dispositivo está fabricado con los mismos materiales ampliamente utilizados que las células solares y otros componentes electrónicos. incluyendo silicio y nitruro de galio (que a menudo se encuentran en los LED). Con un diseño listo para la industria que funciona solo con luz solar y agua de mar, el dispositivo allana el camino para la producción a gran escala de combustible de hidrógeno limpio.

Los divisores de agua solares directos anteriores han logrado un poco más del 1 por ciento de eficiencia estable de energía solar a hidrógeno en agua dulce o salada. Otros enfoques adolecen del uso de costosos, materiales ineficientes o inestables, como el dióxido de titanio, eso también podría implicar la adición de soluciones altamente ácidas para alcanzar mayores eficiencias.

Mi y su equipo, sin embargo, logró más del 3 por ciento de eficiencia solar a hidrógeno. Para alcanzar esta eficiencia estable, El equipo construyó un paisaje urbano de tamaño nanométrico de torres de nitruro de galio que generaron un campo eléctrico. El nitruro de galio se vuelve ligero o fotones, en electrones móviles y vacantes cargadas positivamente llamadas huecos. Estas cargas libres dividen las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno.

"Cuando esta oblea especialmente diseñada es golpeada por fotones, el campo eléctrico ayuda a separar electrones fotogenerados y huecos para impulsar la producción de moléculas de hidrógeno y oxígeno de manera eficiente, "Dijo Chowdhury.

En el presente, el respaldo de silicio del chip no contribuye a su función, pero podría estar haciendo más. El siguiente paso puede ser usar el silicio para ayudar a capturar la luz y canalizar los portadores de carga a las torres de nitruro de galio.

"Aunque la eficiencia del 3 por ciento puede parecer baja, cuando se pone en el contexto de los 40 años de investigación sobre este proceso, en realidad es un gran avance, "Mi dijo." Fotosíntesis natural, dependiendo como lo calcules, tiene una eficiencia de aproximadamente el 0,6 por ciento ".

Agrega que el 5 por ciento de eficiencia es el umbral para la comercialización, pero su equipo apunta a una eficiencia del 20 o 30 por ciento.

Mi realiza una investigación similar para eliminar el dióxido de carbono de su oxígeno para convertir el carbono resultante en hidrocarburos, como metanol y gas de síntesis. Esta vía de investigación podría eliminar potencialmente el dióxido de carbono de la atmósfera, como hacen las plantas.

"Esa es la parte realmente emocionante, "Mi dijo.

El dispositivo está documentado en el estudio, "Un sistema de fotosíntesis artificial de diodo fotoquímico para la división general de agua pura sin ayuda de alta eficiencia, " publicado en Comunicaciones de la naturaleza . Junto con Mi y Chowdhury, los coautores incluyen a Michel Trudeau del Centro de Excelencia en Electrificación del Transporte y Almacenamiento de Energía, Hydro-Québec, y Hong Guo de la Universidad McGill.