Generar y almacenar energía renovable, como la solar o la eólica, es un obstáculo clave para una economía de energía limpia. Cuando el Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) se creó en el Caltech y en sus instituciones asociadas en 2010, el Energy Innovation Hub del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) tenía un objetivo principal: un método rentable para producir combustibles utilizando únicamente luz solar, agua y dióxido de carbono, imitando el proceso natural de la fotosíntesis en las plantas y almacenando energía en forma de combustibles químicos para su uso bajo demanda. Durante los últimos cinco años, los investigadores de JCAP han logrado avances importantes hacia este objetivo y ahora presentan el desarrollo del primer sistema solar integrado completo, eficiente, seguro y capaz de dividir el agua para producir combustibles de hidrógeno.
“Este resultado fue un hito de proyecto ambicioso para los cinco años de JCAP en su conjunto, y no solo lo hemos logrado, sino que también lo conseguimos a tiempo y dentro del presupuesto”, afirma Nate Lewis, catedrático George L. Argyros y profesor de Química en el Caltech, y director científico de JCAP.
El nuevo sistema de generación de combustible solar, o hoja artificial, se describe en el número en línea del 27 de agosto de la revista Energy and Environmental Science. El trabajo fue realizado por investigadores de los laboratorios de Lewis y Harry Atwater, director de JCAP y catedrático Howard Hughes de Física Aplicada y Ciencia de Materiales.
“Este logro se basó en los conocimientos, las ideas y las capacidades de JCAP, lo que ilustra lo que puede conseguirse en un esfuerzo a escala de Hub mediante un equipo integrado”, afirma Atwater. “El dispositivo aquí presentado surgió de un esfuerzo plurianual a gran escala para definir los componentes de diseño y de materiales necesarios para un generador integrado de combustibles solares.”
Prototipo de combustibles solares en funcionamiento
Un dispositivo fotoelectroquímico totalmente integrado que realiza la división solar del agua sin asistencia para producir combustible de hidrógeno. Crédito: Erik Verlage y Chengxiang Xiang/Caltech
El nuevo sistema consta de tres componentes principales: dos electrodos (un fotoánodo y un fotocátodo) y una membrana. El fotoánodo utiliza la luz solar para oxidar las moléculas de agua, generando protones y electrones, así como gas oxígeno. El fotocátodo recombina los protones y electrones para formar gas hidrógeno. Una parte clave del diseño de JCAP es la membrana de plástico, que mantiene separados los gases de oxígeno e hidrógeno. Si se permite que los dos gases se mezclen y se encienden accidentalmente, puede producirse una explosión; la membrana permite recoger el combustible de hidrógeno por separado, bajo presión, e impulsarlo de forma segura hacia un gasoducto.
Los semiconductores, como el silicio o el arseniuro de galio, absorben la luz de manera eficiente y por ello se utilizan en los paneles solares. Sin embargo, estos materiales también se oxidan (o se corroen, como el óxido) en la superficie al exponerse al agua, por lo que no pueden utilizarse para generar combustible directamente. Un avance importante que permitió desarrollar el sistema integrado fue el trabajo previo realizado en el laboratorio de Lewis, que demostró que añadir a los electrodos una capa de dióxido de titanio (TiO2) de espesor nanométrico—un material que se encuentra en la pintura blanca y en muchas pastas dentífricas y protectores solares—puede evitar su corrosión, permitiendo al mismo tiempo el paso de la luz y de los electrones. El nuevo sistema completo de generación de combustible solar desarrollado por Lewis y sus colegas utiliza una capa de TiO2 de 62,5 nanómetros de espesor para prevenir eficazmente la corrosión y mejorar la estabilidad de un fotoelectrodo basado en arseniuro de galio.
Otro avance clave es el uso de catalizadores activos y económicos para la producción de combustible. El fotoánodo requiere un catalizador que impulse la reacción esencial de división del agua. Los metales raros y costosos, como el platino, pueden servir como catalizadores eficaces, pero en su trabajo el equipo descubrió que podía crear un catalizador activo mucho más barato añadiendo a la superficie del TiO2 una capa de níquel de 2 nanómetros de espesor. Este catalizador figura entre los más activos conocidos para dividir las moléculas de agua en oxígeno, protones y electrones, y es clave para la alta eficiencia que muestra el dispositivo.
El fotoánodo se formó sobre un fotocátodo, que también contiene un catalizador de níquel-molibdeno altamente activo y económico, para crear un único material totalmente integrado que sirve como sistema completo de división del agua impulsada por energía solar.
Un componente crítico que contribuye a la eficiencia y la seguridad del nuevo sistema es la membrana de plástico especial que separa los gases y evita la posibilidad de una explosión, al tiempo que permite que los iones fluyan sin interrupciones para completar el circuito eléctrico de la celda. Todos los componentes son estables en las mismas condiciones y funcionan juntos para producir un sistema integrado completo de alto rendimiento. El sistema de demostración tiene aproximadamente un centímetro cuadrado de superficie, convierte el 10 por ciento de la energía solar en energía almacenada en el combustible químico y puede funcionar de forma continua durante más de 40 horas.
“Este nuevo sistema supera todos los récords combinados de seguridad, rendimiento y estabilidad de la tecnología de hoja artificial por factores de 5 a 10 o más ,” afirma Lewis.
“Nuestro trabajo demuestra que, efectivamente, es posible producir combustibles a partir de la luz solar de forma segura y eficiente en un sistema integrado con componentes económicos”, añade Lewis. “Por supuesto, todavía tenemos trabajo por delante para prolongar la vida útil del sistema y desarrollar métodos para fabricar sistemas completos de forma rentable; ambos aspectos están en curso.”
Como el trabajo reunió diversos componentes desarrollados por varios equipos dentro de JCAP, la coautora Chengxiang Xiang, que codirige el proyecto de prototipado y escalado de JCAP, afirma que el resultado final fue un esfuerzo colaborativo. “La investigación y el desarrollo de JCAP en diseño de dispositivos, simulación, y descubrimiento e integración de materiales convergieron todos en la demostración de este nuevo dispositivo”, afirma Xiang.
Estos resultados se publican en un artículo titulado “Un sistema de división del agua impulsado por energía solar, monolíticamente integrado, intrínsecamente seguro y con una eficiencia del 10 %, basado en electrocatalizadores activos, estables y abundantes en la Tierra, en combinación con absorbentes de luz III-V en tándem protegidos por películas amorfas de TiO2.” Además de Lewis, Atwater y Xiang, otros coautores del Caltech son el estudiante de posgrado Erik Verlage, los becarios posdoctorales Shu Hu y Ke Sun, el ingeniero de investigación en procesamiento e integración de materiales Rui Liu y el ingeniero mecánico de JCAP Ryan Jones. La financiación fue proporcionada por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. y por la Fundación Gordon and Betty Moore.
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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Autoría: Jessica Stoller-Conrad es una escritora independiente especializada en información sobre alimentación, salud y ciencia.
Imagen: Un empleado de la junta de electricidad trabaja en cables eléctricos aéreos. REUTERS/Jitendra Prakash
