La nueva tecnología es un importante paso adelante para la energía limpia y podría servir como plataforma para una amplia gama de reacciones químicas que utilizan electricidad recolectada con energía solar para convertir las materias primas en combustibles.

El laboratorio del ingeniero químico y biomolecular Aditya Mohite construyó el fotorreactor integrado utilizando una barrera anticorrosión que aísla el semiconductor del agua sin impedir la transferencia de electrones. Según un estudio publicado en Nature Communications, el dispositivo logró una eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno del 20,8 %.

« Usar la luz solar como fuente de energía para fabricar productos químicos es uno de los mayores obstáculos para una economía de energía limpia », dijo Austin Fehr, estudiante de doctorado en ingeniería química y biomolecular y uno de los autores principales del estudio. « Nuestro objetivo es construir plataformas económicamente viables que puedan generar combustibles derivados de la energía solar. Aquí, diseñamos un sistema que absorbe la luz y completa la química electroquímica de división del agua en su superficie ».

El dispositivo se conoce como celda fotoelectroquímica porque la absorción de la luz, su conversión en electricidad y el uso de la electricidad para impulsar una reacción química ocurren en el mismo dispositivo. Hasta ahora, el uso de tecnología fotoelectroquímica para producir hidrógeno verde se veía obstaculizado por la baja eficiencia y el alto costo de los semiconductores.

“Todos los dispositivos de este tipo producen hidrógeno verde usando solo luz solar y agua, pero el nuestro es excepcional porque tiene una eficiencia récord y usa un semiconductor que es muy barato”, dijo Fehr.

El laboratorio de Mohite y sus colaboradores crearon el dispositivo convirtiendo su celda solar altamente competitiva en un reactor que podría usar la energía recolectada para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno. El desafío que tuvieron que superar fue que las perovskitas de haluro son extremadamente inestables en agua y los recubrimientos utilizados para aislar los semiconductores terminaron interrumpiendo su función o dañándolos.

« Durante los últimos dos años, hemos ido y venido probando diferentes materiales y técnicas », dijo Michael Wong, ingeniero químico de Rice y coautor del estudio.

Después de largos ensayos que no dieron el resultado deseado, los investigadores finalmente encontraron una solución ganadora.

« Nuestra idea clave fue que se necesitaban dos capas en la barrera, una para bloquear el agua y otra para hacer un buen contacto eléctrico entre las capas de perovskita y la capa protectora », dijo Fehr. « Nuestros resultados son la eficiencia más alta para las células fotoelectroquímicas sin concentración solar, y la mejor en general para aquellas que usan semiconductores de perovskita de haluro.

« Es el primero en un campo que históricamente ha estado dominado por semiconductores prohibitivamente costosos y puede representar un camino hacia la viabilidad comercial para este tipo de dispositivo por primera vez », dijo Fehr.

Los investigadores demostraron que su diseño de barrera funcionó para diferentes reacciones y con diferentes semiconductores, lo que lo hace aplicable en muchos sistemas.

« Esperamos que tales sistemas sirvan como una plataforma para conducir una amplia gama de electrones a reacciones de formación de combustible utilizando abundantes materias primas con solo luz solar como entrada de energía », dijo Mohite.

« Con más mejoras en la estabilidad y la escala, esta tecnología podría abrir la economía del hidrógeno y cambiar la forma en que los humanos hacen cosas de combustible fósil a combustible solar », agregó Fehr.

Los estudiantes graduados de Rice Ayush Agrawal y Faiz Mandani son los autores principales del estudio junto con Fehr. El trabajo también fue escrito en parte por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, que es operado por Alliance for Sustainable Energy LLC para el Departamento de Energía bajo el Contrato DE-AC36-08GO28308.

Mohite es profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y director de la facultad de la Iniciativa de ingeniería de arroz para la transición energética y la sostenibilidad, o REINVENTS. Wong es profesora de Tina and Sunit Patel en Nanotecnología Molecular, catedrática y profesora de ingeniería química y biomolecular, y profesora de química, ciencia de materiales y nanotecnología, así como ingeniería civil y ambiental.

La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía (DE-EE0008843), SARIN Energy Inc. y la Autoridad de Equipos Compartidos de Rice.