Nuevo avance que aprovecha la energía solar a través de la química

El descubrimiento de aprovechar al máximo la energía solar a través de la química representa un paso gigante hacia un futuro dominado por la energía limpia.

Nuevo avance usando la química

Según algunas estimaciones, la cantidad de energía solar que llega a la superficie de la Tierra en un año es mayor que la suma de toda la energía que podríamos producir utilizando recursos no renovables. La tecnología necesaria para convertir la luz solar en electricidad se ha desarrollado rápidamente, pero las ineficiencias en el almacenamiento y distribución de esa energía han seguido siendo un problema importante, haciendo que la implantación a gran escala de la energía solar siga estando rezagada.

Sin embargo, un avance logrado recientemente por el equipo de Sen Zhang, profesor de química en la Universidad de Virginia en Estados Unidos, podría eliminar un obstáculo crítico del tan ansiado proceso de implantación global. El descubrimiento representa un paso gigante hacia un futuro dominado por la energía limpia.

Una forma de aprovechar la energía solar es utilizar la electricidad solar para dividir las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno. El hidrógeno producido por el proceso se almacena como combustible, en una forma que puede ser transferida de un lugar a otro y utilizada para generar energía a demanda allá donde se la necesite. Para dividir las moléculas de agua en sus partes componentes, es necesario un catalizador, pero los materiales catalíticos que se utilizan actualmente en el proceso no son lo bastante eficientes como para que el proceso resulte práctico.

Utilizando una estrategia química innovadora desarrollada en la UVA, un equipo de investigadores dirigido por los profesores de química Sen Zhang y T. Brent Gunnoe han producido una nueva forma de catalizador utilizando los elementos cobalto y titanio. La ventaja de estos elementos es que son mucho más abundantes en la naturaleza que otros materiales catalíticos de uso común que contienen metales preciosos como el iridio o el rutenio.

“El nuevo proceso implica la creación de sitios catalíticos activos a nivel atómico en la superficie de nanocristales de óxido de titanio, una técnica que produce un material catalítico duradero y que es mejor para desencadenar la reacción de desprendimiento de oxígeno”. Dijo Zhang. “Los nuevos enfoques para catalizadores de reacción de evolución de oxígeno eficientes y una mejor comprensión fundamental de ellos son clave para permitir una posible transición al uso escalado de energía solar renovable. Este trabajo es un ejemplo perfecto de cómo optimizar la eficiencia del catalizador para la tecnología de energía limpia ajustando los nanomateriales a escala atómica “.

Según Gunnoe, “esta innovación, centrada en los logros del laboratorio de Zhang, representa un nuevo método para mejorar y comprender los materiales catalíticos con un esfuerzo resultante que implica la integración de síntesis de materiales avanzados, caracterización a nivel atómico y teoría de la mecánica cuántica”.

Trabajo en equipo

Con la ayuda del Laboratorio Nacional Argonne y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y sus instalaciones de usuario de espectroscopía de absorción de rayos X de sincrotrón de última generación, que utilizan radiación para examinar la estructura de la materia a nivel atómico, el equipo de investigación encontró que el catalizador tiene una estructura de superficie bien definida que les permite ver claramente cómo evoluciona el catalizador en el ínterin de la reacción de desprendimiento de oxígeno y les permite evaluar con precisión su rendimiento.

“El trabajo utilizó líneas de rayos X de la Fuente de fotones avanzada y la Fuente de luz avanzada, incluida una parte de un programa de ‘acceso rápido’ reservado para un ciclo de retroalimentación rápida para explorar ideas científicas emergentes o urgentes”, dijo Argonne X- físico de rayos Hua Zhou, coautor del artículo. “Estamos muy entusiasmados de que ambas instalaciones de usuarios científicos nacionales puedan contribuir sustancialmente a un trabajo tan inteligente y ordenado en la división del agua que proporcionará un salto adelante para las tecnologías de energía limpia”.

Tanto la fuente de fotones avanzada como la fuente de luz avanzada son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Ubicadas en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, respectivamente.

Además, los investigadores de Caltech, utilizando métodos de mecánica cuántica recientemente desarrollados, pudieron predecir con precisión la tasa de producción de oxígeno causada por el catalizador, lo que proporcionó al equipo una comprensión detallada del mecanismo químico de la reacción.

El profesor asistente de química Sen Zhang (izquierda) y el profesor de química de la Commonwealth T. Brent Gunnoe (centro) están dirigiendo un proyecto de investigación que promueve el conocimiento fundamental de la nueva tecnología solar. Chang Liu (derecha), estudiante de posgrado de cuarto año en el laboratorio de Zhang, es el primer autor de su artículo publicado en Nature Catalysis. Crédito: Universidad de Virginia

“Hemos estado desarrollando nuevas técnicas de mecánica cuántica para comprender el mecanismo de reacción de evolución de oxígeno durante más de cinco años, pero en todos los estudios anteriores, no pudimos estar seguros de la estructura exacta del catalizador. El catalizador de Zhang tiene una estructura atómica bien definida, y encontramos que nuestros resultados teóricos están, esencialmente, en concordancia exacta con los observables experimentales ”, dijo William A. Goddard III, profesor de química, ciencia de materiales y física aplicada en Caltech y uno de los investigadores principales del proyecto. “Esto proporciona la primera validación experimental sólida de nuestros nuevos métodos teóricos, que ahora podemos utilizar para predecir catalizadores aún mejores que se pueden sintetizar y probar. Este es un hito importante hacia la energía limpia global “.

“Este trabajo es un gran ejemplo del esfuerzo en equipo de UVA y otros investigadores para trabajar hacia la energía limpia y los emocionantes descubrimientos que surgen de estas colaboraciones interdisciplinarias”, dijo Jill Venton, presidenta del Departamento de Química de la UVA.

El artículo de Zhang, Gunnoe, Zhou y Goddard fue publicado el 14 de diciembre de 2020 en Catálisis de la naturaleza.

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