Científicos de Caltech, inspirados por un proceso químico presente en las hojas, han desarrollado una película conductora de electricidad que podría ayudar a allanar el camino para dispositivos capaces de aprovechar la luz solar para dividir el agua y producir combustible de hidrógeno.
Al aplicarse a materiales semiconductores como el silicio, la película de óxido de níquel evita la acumulación de óxido y facilita un importante proceso químico en la producción de combustibles impulsada por energía solar, como el metano o el hidrógeno.
«Hemos desarrollado un nuevo tipo de recubrimiento protector que permite llevar a cabo un proceso clave en la producción de combustibles impulsada por energía solar con una eficiencia, estabilidad y eficacia récord, y en un sistema intrínsecamente seguro que no produce mezclas explosivas de hidrógeno y oxígeno», afirma Nate Lewis, profesor George L. Argyros y catedrático de Química en Caltech, y coautor de un nuevo estudio que describe la película, publicado durante la semana del 9 de marzo en la edición en línea de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
El desarrollo podría ayudar a crear sistemas seguros y eficientes de fotosíntesis artificial —también llamados generadores de combustible solar o «hojas artificiales»— que reproducen el proceso natural de fotosíntesis que las plantas utilizan para convertir la luz solar, el agua y el dióxido de carbono en oxígeno y combustible en forma de carbohidratos o azúcares.
La hoja artificial que el equipo de Lewis está desarrollando en parte en el Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) de Caltech consta de tres componentes principales: dos electrodos —un fotoánodo y un fotocátodo— y una membrana. El fotoánodo utiliza la luz solar para oxidar moléculas de agua y generar oxígeno gaseoso, protones y electrones, mientras que el fotocátodo recombina los protones y electrones para formar hidrógeno gaseoso. La membrana, que suele estar hecha de plástico, mantiene separados los dos gases para eliminar cualquier posibilidad de explosión y permite recogerlos a presión para impulsarlos de forma segura hacia una tubería.
Los científicos han intentado fabricar los electrodos con semiconductores comunes, como el silicio o el arseniuro de galio —que absorben luz y también se utilizan en paneles solares—, pero un problema importante es que estos materiales desarrollan una capa de óxido (es decir, herrumbre) al exponerse al agua.
Lewis y otros científicos han experimentado con la creación de recubrimientos protectores para los electrodos, pero todos los intentos anteriores han fracasado por diversos motivos. «Uno quiere que el recubrimiento reúna muchas características: que sea químicamente compatible con el semiconductor que intenta proteger, impermeable al agua, conductor de electricidad, muy transparente a la luz incidente y altamente catalítico para la reacción que produce oxígeno y combustibles», afirma Lewis, quien también es director científico del JCAP. «Crear una capa protectora que presentara cualquiera de estas propiedades supondría un avance significativo, pero lo que hemos descubierto ahora es un material capaz de reunirlas todas a la vez».
El equipo ha demostrado que su película de óxido de níquel es compatible con muchos tipos distintos de materiales semiconductores, como el silicio, el fosfuro de indio y el telururo de cadmio. Al aplicarse a los fotoánodos, la película de óxido de níquel superó con creces el rendimiento de otras películas similares,incluida una que el grupo de Lewis creó apenas el año pasado. Esa película era más compleja: constaba de dos capas en lugar de una y utilizaba como ingrediente principal dióxido de titanio (TiO2, también conocido como titania), un compuesto natural que también se emplea para fabricar protectores solares, pastas dentales y pintura blanca.
«Después de observar cómo los fotoánodos funcionaban con un rendimiento récord sin degradación apreciable durante 24 horas, luego 100 horas y después 500 horas, supe que habíamos logrado lo que los científicos no habían conseguido antes», afirma Ke Sun, investigador posdoctoral en el laboratorio de Lewis y primer autor del nuevo estudio.
El equipo de Lewis desarrolló una técnica para crear la película de óxido de níquel que consiste en hacer chocar átomos de argón a gran velocidad contra una pastilla de átomos de níquel, en un entorno rico en oxígeno. «Los fragmentos de níquel que se desprenden de la pastilla reaccionan con los átomos de oxígeno para producir una forma oxidada de níquel que se deposita sobre el semiconductor», explica Lewis.
Es fundamental que la película de óxido de níquel del equipo funcione bien junto con la membrana que separa el fotoánodo del fotocátodo y escalona la producción de los gases de hidrógeno y oxígeno.
«Sin una membrana, el fotoánodo y el fotocátodo están lo bastante cerca como para conducir electricidad, y si además se producen burbujas de gases de hidrógeno y oxígeno altamente reactivos en el mismo lugar y al mismo tiempo, se dan las condiciones para un desastre», afirma Lewis. «Con nuestra película, se puede construir un dispositivo seguro que no explote, que dure y que sea eficiente, todo a la vez».
Lewis advierte que aún falta mucho para que los científicos desarrollen un producto comercial capaz de convertir la luz solar en combustible. También será necesario perfeccionar otros componentes del sistema, como el fotocátodo.
«Nuestro equipo también está trabajando en un fotocátodo», afirma Lewis. «Lo que tenemos que hacer es combinar ambos elementos y demostrar que todo el sistema funciona. No será fácil, pero ahora tenemos una de las piezas clave que faltaban y que el campo no había podido encontrar durante el último medio siglo».
Además de Lewis y Sun, entre los autores del artículo, «Stable solar-driven oxidation of water by semiconducting photoanodes protected by transparent catalytic nickel oxide films», figuran los estudiantes de posgrado de Caltech Fadl Saadi, Michael Lichterman, Xinghao Zhou, Noah Plymale y Stefan Omelchenko; William Hale, de la Universidad de Southampton; Hsin-Ping Wang y Jr-Hau He, de la Universidad Rey Abdullah de Arabia Saudita; Kimberly Papadantonakis, gerente de investigación científica en Caltech; y Bruce Brunschwig, director del Molecular Materials Research Center de Caltech. La investigación recibió financiación de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU., la National Science Foundation, el Beckman Institute y la Gordon and Betty Moore Foundation.
Este artículo se publica en colaboración con Caltech. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Ker Than es redactor colaborador de Caltech.
Imagen: Se muestra un primer plano de una planta en crecimiento. REUTERS.
