Hay prometedoras noticias del frente de los esfuerzos para producir combustibles a través de la fotosíntesis artificial. Un nuevo estudio realizado por investigadores del laboratorio de Berkeley en el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial (JCAP) muestra que casi el 90 por ciento de los electrones generados por un material híbrido diseñado para almacenar la energía solar en hidrógeno se almacenan en las moléculas de hidrógeno objetivo.
Gary Moore, un investigador químico y director de la División de Biociencias Físicas del Berkeley Lab, dirigió un estudio de análisis de la eficiencia de un material fotocatódico único que él y su grupo de investigación han desarrollado para catalizar la producción de combustible de hidrógeno a partir de la luz solar. Este material, un híbrido formado a partir de la interconexión del fosfuro de galio semiconductor con un catalizador cobaloxima productor de hidrógeno molecular, tiene el potencial para hacer frente a uno de los mayores desafíos en el uso de la fotosíntesis artificial para hacer combustibles solares renovables.
"En definitiva, el problema de la energía renovable es realmente un problema de almacenamiento", dice Moore. "Dada la disponibilidad intermitente de la luz solar, necesitamos una manera de usar el sol durante toda la noche. Almacenamiento de la energía solar en los enlaces químicos de un combustible también proporciona las grandes densidades de potencia que son esenciales para los sistemas de transporte modernos. Hemos demostrado que nuestra enfoque de acoplamiento de la absorción de luz visible con la producción de hidrógeno en un material único pone electrones fotoexcitado en los que necesitamos que sean, almacenada en los enlaces químicos".
Moore es el autor correspondiente de un artículo que describe esta investigación en la revista Physical Chemistry Chemical Physics titulado "Energetics and efficiency analysis of a cobaloxime-modified semiconductor under simulated air mass 1.5 illumination." Los coautores son Alexandra Krawicz y Diana Cedeño.
Hojas biónicas que producen los combustibles con alto contenido energético de nada más que la luz del sol , el agua y el dióxido de carbono de la atmósfera, sin subproductos distintos del oxígeno, representan una alternativa energética sostenible ideal para los combustibles fósiles. Sin embargo, la realización de este ideal de la fotosíntesis artificial requerirá una serie de avances tecnológicos incluyendo fotocátodos de alto rendimiento que pueden catalizar la producción de combustible a partir de la luz solar por sí sola .
El año pasado, Moore y su grupo de investigación en JCAP dieron un paso importante hacia el objetivo fotocatódico con su híbrido de fosfuro de galio/cobaloxima. Fosfuro de galio es un absorbente de la luz visible, lo que le permite producir fotocorrientes significativamente más altos que los semiconductores que sólo absorben la luz ultravioleta. El catalizador cobaloxima también es abundante, lo que significa que es un reemplazo relativamente barato para los catalizadores de metales preciosos muy caros, como el platino, utilizado actualmente en muchos prototipos de generadores de combustible solar.
"La novedad de nuestro enfoque es el uso de componentes catalíticos moleculares interconectados con los semiconductores absorben la luz visible", dice Moore. "Esto crea oportunidades para utilizar entornos tridimensionales discretos para fotoactivación directamente de la química de múltiples electrones y de protones asociada con la producción de hidrógeno y otros combustibles".
El análisis de eficiencia realizado por Moore y sus colegas también confirmó que el componente de luz-amortiguador de su fotocátodo es un obstáculo importante para la obtención de las densidades de corriente más altas. Sus resultados mostraron que el número total de fotones solares alcanzando la superficie híbrida de semiconductores, medidos en todo el rango de longitud de onda del espectro solar (de 200 a 4000 nanómetros) sólo 1,5 por ciento dio lugar a una fotocorriente .
"Esto nos dice que el uso de absorbentes de luz con una mejor cobertura espectral del sol es un buen comienzo para conseguir mayores aumentos de rendimiento, pero es probable que también tendremos que desarrollar catalizadores más rápido y más eficiente, así como nuevas químicas de fijación. Nuestro método de montaje modular ofrece una estrategia viable para probar combinaciones prometedoras de nuevos materiales", dice Moore.
"La eficiencia no es la única consideración que debe ir en la evaluación de materiales para aplicaciones en las tecnologías solares. Junto con la durabilidad y la escalabilidad factible de componentes, la selectividad de la fotoactivación de una reacción específica también es crítica. Esto es donde los enfoques moleculares ofrecen significativa oportunidades, especialmente en catalizar transformaciones químicas complejas tales como la reducción de dióxido de carbono".
Gary Moore, un investigador químico y director de la División de Biociencias Físicas del Berkeley Lab, dirigió un estudio de análisis de la eficiencia de un material fotocatódico único que él y su grupo de investigación han desarrollado para catalizar la producción de combustible de hidrógeno a partir de la luz solar. Este material, un híbrido formado a partir de la interconexión del fosfuro de galio semiconductor con un catalizador cobaloxima productor de hidrógeno molecular, tiene el potencial para hacer frente a uno de los mayores desafíos en el uso de la fotosíntesis artificial para hacer combustibles solares renovables.
"En definitiva, el problema de la energía renovable es realmente un problema de almacenamiento", dice Moore. "Dada la disponibilidad intermitente de la luz solar, necesitamos una manera de usar el sol durante toda la noche. Almacenamiento de la energía solar en los enlaces químicos de un combustible también proporciona las grandes densidades de potencia que son esenciales para los sistemas de transporte modernos. Hemos demostrado que nuestra enfoque de acoplamiento de la absorción de luz visible con la producción de hidrógeno en un material único pone electrones fotoexcitado en los que necesitamos que sean, almacenada en los enlaces químicos".
Moore es el autor correspondiente de un artículo que describe esta investigación en la revista Physical Chemistry Chemical Physics titulado "Energetics and efficiency analysis of a cobaloxime-modified semiconductor under simulated air mass 1.5 illumination." Los coautores son Alexandra Krawicz y Diana Cedeño.
Hojas biónicas que producen los combustibles con alto contenido energético de nada más que la luz del sol , el agua y el dióxido de carbono de la atmósfera, sin subproductos distintos del oxígeno, representan una alternativa energética sostenible ideal para los combustibles fósiles. Sin embargo, la realización de este ideal de la fotosíntesis artificial requerirá una serie de avances tecnológicos incluyendo fotocátodos de alto rendimiento que pueden catalizar la producción de combustible a partir de la luz solar por sí sola .
El año pasado, Moore y su grupo de investigación en JCAP dieron un paso importante hacia el objetivo fotocatódico con su híbrido de fosfuro de galio/cobaloxima. Fosfuro de galio es un absorbente de la luz visible, lo que le permite producir fotocorrientes significativamente más altos que los semiconductores que sólo absorben la luz ultravioleta. El catalizador cobaloxima también es abundante, lo que significa que es un reemplazo relativamente barato para los catalizadores de metales preciosos muy caros, como el platino, utilizado actualmente en muchos prototipos de generadores de combustible solar.
"La novedad de nuestro enfoque es el uso de componentes catalíticos moleculares interconectados con los semiconductores absorben la luz visible", dice Moore. "Esto crea oportunidades para utilizar entornos tridimensionales discretos para fotoactivación directamente de la química de múltiples electrones y de protones asociada con la producción de hidrógeno y otros combustibles".
El análisis de eficiencia realizado por Moore y sus colegas también confirmó que el componente de luz-amortiguador de su fotocátodo es un obstáculo importante para la obtención de las densidades de corriente más altas. Sus resultados mostraron que el número total de fotones solares alcanzando la superficie híbrida de semiconductores, medidos en todo el rango de longitud de onda del espectro solar (de 200 a 4000 nanómetros) sólo 1,5 por ciento dio lugar a una fotocorriente .
"Esto nos dice que el uso de absorbentes de luz con una mejor cobertura espectral del sol es un buen comienzo para conseguir mayores aumentos de rendimiento, pero es probable que también tendremos que desarrollar catalizadores más rápido y más eficiente, así como nuevas químicas de fijación. Nuestro método de montaje modular ofrece una estrategia viable para probar combinaciones prometedoras de nuevos materiales", dice Moore.
"La eficiencia no es la única consideración que debe ir en la evaluación de materiales para aplicaciones en las tecnologías solares. Junto con la durabilidad y la escalabilidad factible de componentes, la selectividad de la fotoactivación de una reacción específica también es crítica. Esto es donde los enfoques moleculares ofrecen significativa oportunidades, especialmente en catalizar transformaciones químicas complejas tales como la reducción de dióxido de carbono".
Publicado por: Gerardo Partida Guzmán 146861
Referencia: Alexandra Krawicz, Diana Cedeno, Gary F. Moore. Energetics and Efficiency Analysis of a Cobaloxime-Modified Semiconductor at Simulated Air Mass 1.5 Illumination. Physical Chemistry Chemical Physics, 2014; DOI:10.1039/C4CP00495G
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