Carburo de silicio cúbico en agua. Crédito: Thor Balkhed/ LiU
Un Material prometedor para lograr energía renovable a partir del agua
23 de marzo de 2021 | Historia original de la Universidad de Linköping
Una fuente prospectiva de energía renovable es el gas hidrógeno producido a partir del agua con la ayuda de la luz solar. Investigadores de la Universidad de Linköping, Suecia, han desarrollado un material nanoporoso de carburo de silicio cúbico, que exhibe propiedades prometedoras para capturar energía solar y agua para la producción de gas hidrógeno. El estudio fue publicado en el journal ACS Nano.
“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”, sostuvo Jianwu Sun, profesor principal del Departamento de Física, Química y Biología de la Universidad de Linköping, director del nuevo estudio.
El hidrógeno tiene una densidad de energía tres veces mayor que la de la gasolina. Se puede utilizar para generar electricidad utilizando una pila de combustible y los coches alimentados por hidrógeno ya están disponibles comercialmente. Cuando el gas hidrógeno se utiliza para producir energía, el único producto formado es el agua pura. En contraste, el dióxido de carbono se crea por la combustión de los combustibles fósiles, que es la tecnología más utilizada hoy en día. Así, se emiten entre 9 y 12 toneladas de dióxido de carbono cuando se produce 1 tonelada de gas hidrógeno.
Producir gas hidrógeno por escisión de moléculas de agua con la ayuda de energía solar, es un enfoque sostenible que podría dar gas hidrógeno utilizando fuentes renovables sin conducir a emisiones de dióxido de carbono. Una de las principales ventajas de este método es la posibilidad de convertir energía solar en un combustible almacenable.
“Las células solares convencionales producen energía durante el día, y la energía debe utilizarse inmediatamente o almacenarse en, por ejemplo, baterías. El hidrógeno es una fuente prometedora de energía que se puede almacenar y transportar de la misma manera que los combustibles tradicionales como la gasolina y el diésel”, dijo Jianwu Sun.
Sin embargo, no es una tarea fácil dividir las moléculas de agua utilizando la energía de la luz solar para obtener 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 escinde en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) a través de fotoelectrólisis. La energía de la luz solar que se puede utilizar para dividir el agua es 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 hidrógeno y gases de oxígeno. La mayoría de los materiales que han sido investigados hasta ahora son ineficientes en la forma en que utilizan la energía de la luz solar visible (el dióxido de titanio, TiO2, por ejemplo, absorbe sólo la luz ultravioleta), o no tienen las propiedades necesarias para dividir el agua en gas 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 gran cantidad de poros extremadamente pequeños. El material, que llaman 3C-SiC nanoporoso, 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 el journal ACS Nano, y en él los investigadores muestran que este nuevo material poroso puede atrapar y cosechar eficientemente luz 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 confieren una superficie activa más grande. Esto mejora la transferencia de carga y aumenta el número de sitios de reacción, aumentando aún más la eficiencia de escisión de las moléculas de agua.
“El principal resultado 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 para dar origen al hidrógeno gaseoso sea mucho mejor que cuando se utiliza carburo de silicio plano”, sostuvo Jianwu Sun.
Referencia
Jian J-X, Jokubavicius V, Syväjärvi M, Yakimova R, Sun J. Nanoporous cubic silicon carbide photoanodes for enhanced solar water splitting. ACS Nano. 2021;15(3):5502-5512. doi: 10.1021/acsnano.1c00256
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