El uso de hidrógeno para la producción de energía no es nada nuevo. Pero con su investigación, Universidad Carnegie Mellon en Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE) Ph.D. El candidato Ajay Pisat espera desbloquear todo su potencial como primaria, medio de almacenamiento de energía convencional maximizando la eficiencia de la producción de hidrógeno a través de la fotocatálisis.

Si bien se están realizando muchas investigaciones sobre la fotocatálisis, El trabajo de Pisat a nivel nano es un primer paso importante que conduce a una investigación a mayor escala, porque se centra en el nivel más bajo posible, el nivel estructural. Pasa su tiempo en el laboratorio diseñando la morfología superficial de los compuestos de óxido, optimizar sus áreas de superficie para la evolución de hidrógeno que, Sucesivamente, aumenta la eficiencia de la producción de hidrógeno mediante fotocatálisis.

Si Pisat es capaz de diseñar científicamente la estructura de la superficie del compuesto de óxido que utiliza su laboratorio:titanato de estroncio, que tiene una estructura similar a muchos otros compuestos de óxido, para una máxima eficiencia, entonces podrá diseñar compuestos similares que absorban mejor la luz solar. Los investigadores podrían utilizar estos compuestos a mayor escala, en sistemas fotocatalíticos completos.

"Creemos que es la estructura del material lo que es vital para el proceso, ", Dice Pisat." Pero la química del material es vital para la funcionalidad real ".

La ciencia

Fotocatálisis, en general, está utilizando luz junto con materiales catalizadores para permitir o acelerar las reacciones químicas. La reacción particular que implica la división del agua en hidrógeno y oxígeno se denomina división del agua fotocatalítica. o producción de hidrógeno fotocatalítico. El hidrógeno producido se puede utilizar para alimentar celdas de combustible o generadores en el sitio que son independientes de las redes eléctricas basadas en infraestructura; en otras palabras, una fuente de energía constante en lugares donde esas redes eléctricas no llegan.

Dos beneficios adicionales de la investigación continua de la energía de hidrógeno son la limpieza y la capacidad de renovación de la energía de hidrógeno resultante. A diferencia de las emisiones de carbono y los gases de efecto invernadero que resultan de los combustibles fósiles, La energía del hidrógeno no produce subproductos nocivos.

Adicionalmente, la luz solar y el agua necesarias para la producción de hidrógeno fotocatalítico son casi infinitas. Junto con la luz del sol y el agua, la fotocatálisis requiere un catalizador. Un catalizador es un material que aumenta la velocidad de una reacción química. En el proceso fotocatalítico, un catalizador (más comúnmente un compuesto de óxido) se sumerge en agua. Cuando el agua es bombardeada con luz solar, el catalizador provoca una reacción química en los puntos donde el compuesto catalizador entra en contacto con el agua. Es esta reacción la que divide las moléculas de agua.

Si bien esto puede parecer un proceso bastante sencillo, Los investigadores se han encontrado con algunos obstáculos que impiden que la fotocatálisis produzca su máximo potencial de hidrógeno. Uno es la absorción de luz de los catalizadores de compuestos de óxido. Hasta la fecha, Los científicos han luchado por encontrar un compuesto apropiado que sea capaz de absorber el rango visible del espectro solar. que contiene la energía necesaria para la fotocatálisis. La mayoría de los compuestos absorben muy bien los rayos UV, pero esos rayos representan solo el 5% de todo el espectro de luz, y algunos compuestos absorben la radiación infrarroja, que no tiene suficiente energía para la fotocatálisis.

Otro desafío es la cantidad de hidrógeno producida por cualquier catalizador. La producción de hidrógeno está directamente relacionada con la superficie del catalizador.

Como lo explica Pisat:imagina tu celular sumergido en una tina de agua. Dondequiera que el agua llegue al exterior de su teléfono es donde ocurrirán reacciones químicas (por ejemplo, producción de hidrógeno). Ahora imagina cortando tu teléfono celular en dos partes.

"Ahora hemos expuesto dos superficies más, "Dice Pisat." Y si seguimos haciendo esto, simplemente vamos a exponer más y más superficie para la misma cantidad de masa ". Dado que el agua está en contacto con una mayor cantidad de la superficie del teléfono, se producirá más hidrógeno.

Ahora intenta imaginar algo más pequeño que un teléfono. Quizás, por ejemplo, una taza llena de bolitas tan pequeñas que parecen polvo. Imagínese recogiendo solo uno de esos perdigones. Es casi como recoger un grano de arena solo más pequeño. Aquí es donde Pisat hace su trabajo:el nano-nivel.

Las reacciones fotocatalíticas en realidad consisten en dos reacciones individuales:desprendimiento de hidrógeno y su contrarreacción. Las diferentes estructuras de superficie tienden a favorecer una reacción sobre la otra, reduciendo la eficacia de la reacción global. El trabajo a nivel nanométrico de Pisat consiste en equilibrar las áreas de esas reacciones individuales mediante tratamientos térmicos económicos para que la reacción general pueda desarrollarse de la manera más eficiente posible.

La inspiración

Aunque su investigación es singular y sorprendentemente enfocada, Pisat entiende su trabajo como una pequeña parte de un proceso mucho más grande. Ese proceso más grande podría describirse acertadamente como una superautopista de seis carriles, cada carril avanza hacia la misma línea de meta. Da la casualidad de que Pisat encontró su carril como estudiante en la India.

Como nativo de Mumbai, creció en un mundo que influyó en su decisión de seguir la investigación que tiene. "En mi propia vida, " él dice, "Pude ver que el clima no es el mismo. He visto degradarse la calidad del aire a lo largo de mi propia infancia". Cada cinco años el Comparte, podía ver y sentir la calidad del aire bajando a su alrededor.

Entonces, cuando ingresó a la universidad, fue muy directo sobre la especialidad que eligió:ingeniería de materiales. A través de sus estudios, se involucró en la investigación sobre limpieza, Energía de hidrógeno renovable a través de la fotocatálisis y la ingeniería de materiales de compuestos de óxidos.

Al realizar su doctorado. en Carnegie Mellon, eligió un programa en el que no podía estudiar con nadie, pero tres profesores que realizan investigaciones a nivel nano sobre compuestos de óxido utilizados en fotocatálisis:Gregory Rohrer, Pablo Salvador, y Mohammad Islam. En la actualidad, está siendo co-asesorado por los profesores Rohrer y Salvador.

Tomando una visión amplia de su investigación y la de otros, Pisat aprecia el trabajo que aún queda por hacer.

"Es posible que no se utilice de inmediato porque todo lo demás es muy barato, " él dice, cuando se le preguntó sobre el futuro práctico de la energía del hidrógeno. "El carbón es tan barato. Por lo tanto, competir con ese tipo de tecnologías llevará algún tiempo".

Tiempo, como él dice, tomará un poco de tiempo, Pisat ha hecho grandes avances. "Definitivamente estoy progresando mucho, " él dice, en términos de los resultados que está viendo en el laboratorio. "Una vez que se perfecciona esta técnica [optimización de la morfología de la superficie], " él añade, "la gente va a intentar usarlo para diseñar sistemas fotocatalíticos completos para hacer que la producción de hidrógeno sea completamente impulsada por energía solar. Quizás entonces, después de cinco o diez años, podemos verlos compitiendo con el gas ".