Investigadores de la Universidad Nacional de Australia dicen que las nuevas tecnologías que permiten que el hidrógeno se produzca directamente a partir de la energía solar, evitando la necesidad de electrolizadores costosos, podrían ser el camino hacia suministros de hidrógeno renovable de bajo costo.

En una nueva investigación publicada en la revista Advanced Energy Materials , el equipo de investigación de ANU ha desarrollado nuevos diseños de «fotoelectrodos», que podrían ser un paso crítico hacia la producción de hidrógeno renovable de alta eficiencia y bajo costo.

Las células solares convencionales utilizan materiales semiconductores para convertir la luz solar en corriente eléctrica. Durante las últimas décadas, los avances en los diseños de células solares han hecho que las tecnologías solares se establezcan como una de las fuentes más baratas de generación de electricidad sin dejar prácticamente ninguna huella de emisiones.

Los investigadores han tratado de adaptar las tecnologías de células solares para que, en lugar de producir una corriente eléctrica, la energía solar capturada se pueda utilizar para impulsar reacciones químicas, incluidas reacciones químicas que pueden extraer hidrógeno del agua.

Siva Karuturi, investigador de la ANU y coautor del trabajo de investigación, explicó que los fotoelectrodos que se están desarrollando en la universidad crean el potencial para que las tecnologías convencionales de células solares se adapten para su uso en la producción de hidrógeno.

“Las células solares convierten la energía solar en electricidad. Los fotoelectrodos pueden dar un paso más para convertir directamente la energía solar en combustibles químicos almacenables como el hidrógeno”, dijo Karuturi.

Los intentos anteriores de producir fotoelectrodos de solar a hidrógeno encontraron que eran vulnerables a la degradación, lo que los hacía inadecuados para el despliegue comercial a gran escala.

Pero el equipo de investigación de ANU ha tratado de resolver este problema «desacoplando» los electrodos de las reacciones químicas que llevaron a su degradación, reconociendo el potencial de la producción directa de hidrógeno a partir de energía solar para proporcionar suministros de hidrógeno de bajo costo que podría almacenarse y utilizarse como suministro de energía despachable.

“Si bien esta es una perspectiva atractiva para abordar el problema de la intermitencia, sigue siendo un desafío construir un fotoelectrodo que sea eficiente y estable para una operación práctica”, agregó Karuturi. “Esto abre un camino para transformar las células fotovoltaicas de los tejados en células solares que dividen el agua que producen hidrógeno verde. Este podría ser un paso crucial para abordar la intermitencia de las energías renovables y acelerar nuestra transición a cero emisiones netas «.

El equipo de investigación de ANU desarrolló un proceso innovador de combinación de fotoelectrodos con «láminas de cocatalizador», que tuvo el efecto de proteger los fotoelectrodos de la degradación química, lo que les permitió ser utilizados para la producción de hidrógeno con un riesgo significativamente menor de que queden inutilizables por la corrosión.

“En este trabajo, demostramos el uso de láminas de cocatalizador para estabilizar fotoelectrodos al tiempo que se logran altas eficiencias de división del agua, lo que se logra primero al depositar catalizadores en láminas de metal antes de la fabricación del dispositivo y segundo al proteger los fotoabsorbedores de la solución corrosiva durante la operación”, dijo Karuturi.

“Por lo tanto, la interfaz catalítica está totalmente desacoplada del fotoabsorbedor durante la fabricación y el funcionamiento. También mostramos que el enfoque se puede utilizar con otros materiales fotovoltaicos probados para lograr de manera realista altas eficiencias de energía solar a hidrógeno que se acercan a los límites teóricos «.

El enfoque convencional para producir hidrógeno renovable contempla suministros de electricidad renovable, como los de parques eólicos y solares, que se utilizan para alimentar un electrolizador que produce hidrógeno al pasar electricidad a través de moléculas de agua, separando los átomos de hidrógeno y oxígeno.

Pero las nuevas tecnologías que se están desarrollando en la ANU podrían permitir que la energía solar impulse reacciones químicas de menor costo que producen hidrógeno, lo que permitiría omitir por completo el proceso de electrólisis.

“El hidrógeno verde se puede producir a partir de la electrólisis impulsada por energía renovable, pero actualmente no es competitivo con las fuentes de hidrógeno como combustible fósil. En cambio, estamos buscando nuevas formas de producir hidrógeno directamente a partir de la luz solar y el agua”, agregó Karuturi.

“En la producción solar directa de hidrógeno, la luz solar proporciona la energía para impulsar la reacción redox de división del agua, a través del efecto fotovoltaico y la catálisis, lo que da como resultado la producción de hidrógeno en un único sistema integrado».

El equipo de investigación de ANU estableció previamente nuevos récords de eficiencia energética para la producción directa de energía solar a hidrógeno,  con eficiencias superiores al 20 por ciento .

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