Los investigadores desarrollan una alternativa más ecológica a los combustibles fósiles mediante la producción de hidrógeno a partir del agua y la luz

17 de febrero de 2023

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por la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill

Investigadores del Departamento de Química de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill han diseñado nanocables de silicio que pueden convertir la luz solar en electricidad al dividir el agua en oxígeno y gas hidrógeno, una alternativa más ecológica a los combustibles fósiles.

Hace cincuenta años, los científicos demostraron por primera vez que el agua líquida se puede dividir en oxígeno e hidrógeno usando electricidad producida al iluminar un electrodo semiconductor. Aunque el hidrógeno generado con energía solar es una forma prometedora de energía limpia, la baja eficiencia y los altos costos han dificultado la introducción de plantas comerciales de hidrógeno alimentadas por energía solar.

Un análisis de viabilidad económica sugiere que el uso de una suspensión de electrodos hechos de nanopartículas en lugar de un diseño de panel solar rígido podría reducir sustancialmente los costos, lo que haría que el hidrógeno producido con energía solar fuera competitivo con los combustibles fósiles. Sin embargo, la mayoría de los catalizadores activados por luz basados ​​en partículas existentes, también conocidos como fotocatalizadores, pueden absorber solo la radiación ultravioleta, lo que limita su eficiencia de conversión de energía bajo la iluminación solar.

James Cahoon, Ph.D., profesor de química de la Hyde Family Foundation en la Facultad de Artes y Ciencias de UNC-Chapel Hill, y sus colegas en el departamento han estado trabajando en la síntesis química de nanomateriales semiconductores con propiedades físicas únicas que pueden permitir una gama de tecnologías, desde células solares hasta memoria de estado sólido. Cahoon es el autor correspondiente de los hallazgos publicados el 9 de febrero en Nature.

Cahoon y su equipo diseñaron nuevos nanocables de silicio para tener múltiples células solares a lo largo de su eje para que pudieran producir la energía necesaria para dividir el agua.

"Este diseño no tiene precedentes en los diseños de reactores anteriores y permite que el silicio se use por primera vez en un PSR", explicó Taylor Teitsworth, investigador asociado postdoctoral en el laboratorio de Cahoon.

El silicio absorbe tanto la luz visible como la infrarroja. Históricamente, ha sido una de las mejores opciones para las células solares, también conocidas como células fotovoltaicas y semiconductores, debido a esta y otras propiedades, incluida su abundancia, baja toxicidad y estabilidad. Con sus propiedades electrónicas, la única forma de impulsar la división del agua de forma inalámbrica con partículas de silicio es codificar múltiples células fotovoltaicas en cada partícula. Esto se puede lograr mediante la generación de partículas que contienen múltiples interfaces, llamadas uniones, entre dos formas diferentes de silicio: semiconductores tipo p y tipo n.

Anteriormente, la investigación de Cahoon se centró en una síntesis de abajo hacia arriba y una modulación controlada espacialmente de silicona con boro para nanocables de tipo p y con fósforo para nanocables de tipo n para impartir geometrías y funcionalidades deseables.

"Utilizamos este enfoque para crear una nueva clase de nanopartículas multiunión que dividen el agua. Estas combinan las ventajas materiales y económicas del silicio con las ventajas fotónicas de los nanocables que tienen un diámetro menor que la longitud de onda de la luz absorbida", dijo Cahoon. "Debido a la asimetría inherente de las uniones de los cables, pudimos utilizar un método electroquímico impulsado por la luz para depositar los cocatalizadores de forma selectiva en los extremos de los cables para permitir la división del agua".

Más información: Taylor S. Teitsworth et al, Separación de agua con superredes p–i–n de silicio suspendidas en solución, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05549-5

Los nanocables de silicio de diseño producen hidrógeno a partir del agua y la luz, Nature (2023). DOI: 10.1038/d41586-023-00154-6

Información del diario:Naturaleza

Proporcionado por la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill