Según algunas estimaciones, la cantidad de energía solar que llega a la superficie de la tierra en un año es mayor que la suma de toda la energía que podríamos producir utilizando recursos no renovables. La tecnología necesaria para convertir la luz solar en electricidad se ha desarrollado rápidamente, pero las ineficiencias en el almacenamiento y distribución de esa energía siguen siendo un problema importante, haciendo impracticable la energía solar a gran escala. Sin embargo, un gran avance de los investigadores de la Universidad y la Escuela de Graduados de Artes y Ciencias de la UVA, el Instituto de Tecnología de California y el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el Laboratorio Nacional Brookhaven podrían eliminar un obstáculo crítico del proceso, un descubrimiento que representa un paso de gigante hacia un futuro de energía limpia.

Una forma de aprovechar la energía solar es mediante el uso de electricidad solar para dividir las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno. El hidrógeno producido por el proceso se almacena como combustible, en una forma que pueda transferirse de un lugar a otro y usarse para generar energía según la demanda. Para dividir las moléculas de agua en sus partes componentes, es necesario un catalizador, pero los materiales catalíticos que se utilizan actualmente en el proceso, también conocida como reacción de evolución de oxígeno, no son lo suficientemente eficientes para que el proceso sea práctico.

Usando una estrategia química innovadora desarrollada en UVA, sin embargo, un equipo de investigadores dirigido por los profesores de química Sen Zhang y T. Brent Gunnoe ha producido una nueva forma de catalizador utilizando los elementos cobalto y titanio. La ventaja de estos elementos es que son mucho más abundantes en la naturaleza que otros materiales catalíticos de uso común que contienen metales preciosos como el iridio o el rutenio.

"El nuevo proceso implica la creación de sitios catalíticos activos a nivel atómico en la superficie de nanocristales de óxido de titanio, una técnica que produce un material catalítico duradero y uno que es mejor para desencadenar la reacción de desprendimiento de oxígeno ". Dijo Zhang." Los nuevos enfoques para catalizadores de reacción de desprendimiento de oxígeno eficientes y una mejor comprensión fundamental de ellos son clave para permitir una posible transición al uso a escala de energía solar renovable. Este trabajo es un ejemplo perfecto de cómo optimizar la eficiencia del catalizador para la tecnología de energía limpia ajustando los nanomateriales a escala atómica ".

Según Gunnoe, "Esta innovación, centrado en los logros del laboratorio de Zhang, representa un nuevo método para mejorar y comprender los materiales catalíticos con un esfuerzo resultante que implica la integración de síntesis de materiales avanzados, caracterización a nivel atómico y teoría de la mecánica cuántica ".

"Muchos años atrás, UVA se unió al consorcio MAXNET Energy, compuesto por ocho Institutos Max Planck (Alemania), UVA y la Universidad de Cardiff (Reino Unido), que reunió esfuerzos de colaboración internacional centrados en la oxidación electrocatalítica del agua. MAXNET Energy fue la semilla de los esfuerzos conjuntos actuales entre mi grupo y el laboratorio de Zhang, que ha sido y sigue siendo una fructífera y productiva colaboración, "Dijo Gunnoe.

Con la ayuda del Laboratorio Nacional Argonne y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y sus instalaciones para usuarios de espectroscopía de absorción de rayos X sincrotrón de última generación, que utiliza radiación para examinar la estructura de la materia a nivel atómico, el equipo de investigación descubrió que el catalizador tiene una estructura de superficie bien definida que les permite ver claramente cómo evoluciona el catalizador mientras tanto de la reacción de evolución de oxígeno y les permite evaluar con precisión su rendimiento.

"El trabajo utilizó líneas de rayos X de la fuente de fotones avanzada y la fuente de luz avanzada, incluyendo una parte de un programa de 'acceso rápido' reservado para un ciclo de retroalimentación rápida para explorar ideas científicas emergentes o urgentes, "dijo el físico de rayos X de Argonne Hua Zhou, un coautor del artículo. "Estamos muy emocionados de que ambas instalaciones de usuarios científicos nacionales puedan contribuir sustancialmente a un trabajo tan inteligente y ordenado en la división del agua que proporcionará un salto adelante para las tecnologías de energía limpia".

Tanto la fuente de fotones avanzada como la fuente de luz avanzada son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Ubicadas en el Laboratorio Nacional Argonne y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE. respectivamente.

Adicionalmente, investigadores de Caltech, el uso de métodos de mecánica cuántica recientemente desarrollados fueron capaces de predecir con precisión la tasa de producción de oxígeno causada por el catalizador, lo que proporcionó al equipo una comprensión detallada del mecanismo químico de la reacción.

"Hemos estado desarrollando nuevas técnicas de mecánica cuántica para comprender el mecanismo de reacción de evolución del oxígeno durante más de cinco años, pero en todos los estudios anteriores, no podíamos estar seguros de la estructura exacta del catalizador. El catalizador de Zhang tiene una estructura atómica bien definida, y encontramos que nuestros resultados teóricos son, esencialmente, de acuerdo exactamente con los observables experimentales, "dijo William A. Goddard III, un profesor de química, ciencia de los Materiales, y física aplicada en Caltech y uno de los investigadores principales del proyecto. "Esto proporciona la primera validación experimental sólida de nuestros nuevos métodos teóricos, que ahora podemos usar para predecir catalizadores aún mejores que se pueden sintetizar y probar. Este es un hito importante hacia la energía limpia global ".

"Este trabajo es un gran ejemplo del esfuerzo en equipo de la UVA y otros investigadores para trabajar hacia la energía limpia y los emocionantes descubrimientos que surgen de estas colaboraciones interdisciplinarias, "dijo Jill Venton, presidente del Departamento de Química de la UVA.