Investigadores de la Universidad de Linköping (LiU) sueca han desarrollado un material, carburo de silicio cúbico nanoporoso, que exhibe propiedades prometedoras para capturar la energía solar y dividir el agua para la producción de gas hidrógeno.
"Se necesitan nuevos sistemas de energía sostenible para hacer frente a los desafíos energéticos y ambientales globales, como el aumento de las emisiones de dióxido de carbono y el cambio climático", dice Jianwu Sun, profesor titular del Departamento de Física, Química y Biología de la Universidad de Linköping, que ha dirigido la estudio que ha sido publicado en la revista ACS Nano .
El hidrógeno tiene una densidad energética tres veces mayor que la de la gasolina. Se puede utilizar para generar electricidad utilizando una pila de combustible, y los coches que funcionan con hidrógeno ya están disponibles comercialmente. Cuando se usa gas hidrógeno para producir energía, el único producto que se forma es agua pura. Sin embargo, por el contrario, el dióxido de carbono se crea cuando se produce hidrógeno, ya que la tecnología más utilizada en la actualidad depende de los combustibles fósiles para el proceso. Por lo tanto, se emiten de 9 a 12 toneladas de dióxido de carbono cuando se produce 1 tonelada de gas hidrógeno.
La producción de gas hidrógeno mediante la división de moléculas de agua con la ayuda de energía solar es un enfoque sostenible que podría generar gas hidrógeno utilizando fuentes renovables sin generar emisiones de dióxido de carbono. Una gran ventaja de este método es la posibilidad de convertir la energía solar en combustible que se puede almacenar.
“Las células solares convencionales producen energía durante el día, y la energía debe utilizarse inmediatamente o almacenarse, por ejemplo, en baterías. El hidrógeno es una fuente de energía prometedora que se puede almacenar y transportar de la misma manera que los combustibles tradicionales como la gasolina y el diésel”, dice Jianwu Sun.
Búsqueda de materiales con las propiedades adecuadas
Sin embargo, no es una tarea fácil dividir el agua utilizando la energía de la luz solar para producir gas hidrógeno. Para que esto tenga éxito, es necesario encontrar materiales rentables que tengan las propiedades adecuadas para la reacción en la que el agua (H2O) se divide en hidrógeno (H2 ) y oxígeno (O2) a través de la fotoelectrólisis.
La energía de la luz solar que se puede utilizar para dividir el agua se encuentra principalmente en forma de radiación ultravioleta y luz visible. Por lo tanto, se requiere un material que pueda absorber eficientemente dicha radiación para crear cargas que puedan separarse y tener suficiente energía para dividir las moléculas de agua en gases de hidrógeno y oxígeno. La mayoría de los materiales que se han investigado hasta ahora son ineficientes en la forma en que utilizan la energía de la luz solar visible (el dióxido de titanio, TiO 2, por ejemplo, absorbe solo la luz solar ultravioleta) o no tienen las propiedades necesarias para dividir el agua en hidrógeno (por ejemplo, silicio, Si).
El grupo de investigación de Jianwu Sun ha investigado el carburo de silicio cúbico, 3C-SiC. Los científicos han producido una forma de carburo de silicio cúbico que tiene muchos poros extremadamente pequeños. El material, al que llaman nanoporoso 3C-SiC, tiene propiedades prometedoras que sugieren que se puede utilizar para producir gas hidrógeno a partir del agua utilizando la luz solar.
El presente estudio ha sido publicado en la revista ACS Nano, y en él los investigadores muestran que este nuevo material poroso puede atrapar y recolectar de manera eficiente los rayos ultravioleta y la mayor parte de la luz solar visible. Además, la estructura porosa promueve la separación de cargas que tienen la energía requerida, mientras que los pequeños poros dan una mayor superficie activa. Esto mejora la transferencia de carga y aumenta el número de sitios de reacción, lo que aumenta aún más la eficiencia de división del agua.
“El resultado principal que hemos demostrado es que el carburo de silicio cúbico nanoporoso tiene una mayor eficiencia de separación de carga, lo que hace que la división del agua en hidrógeno sea mucho mejor que cuando se usa carburo de silicio plano”, dice Jianwu Sun.
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