Avance en la fotólisis solar del agua para la producción de hidrógeno

La introducción de las estrategias "carbon peaking" y "carbon neutral" ha llevado a una reducción de las emisiones de carbono, siendo el hidrógeno una opción atractiva como combustible limpio. Por otro lado, el hidrógeno también es necesario para muchos procesos químicos, como la producción de fertilizantes. Sin embargo, actualmente el hidrógeno se obtiene principalmente a través de la conversión de agua y gas, un proceso que no solo genera grandes emisiones de carbono sino que también consume grandes cantidades de energía térmica.

La fotosíntesis natural (plantas que utilizan la luz solar para obtener átomos de hidrógeno del agua) es bien conocida, pero ¿existe una técnica de "fotosíntesis artificial" para obtener hidrógeno? La producción fotocatalítica de hidrógeno basada en la hidrólisis total es una tecnología sostenible y respetuosa con el medio ambiente que consume únicamente luz solar y agua y no produce emisiones de carbono, por lo que actualmente está llamando mucho la atención. Sin embargo, la baja eficiencia de conversión solar a hidrógeno (STH) de los THM fotocatalíticos actuales limita su aplicación práctica.

Teniendo esto en cuenta, el equipo del profesor Yonezawa de la Universidad de Michigan ha desarrollado una estrategia para lograr eficiencias de STH de hasta un 9,2 % utilizando agua pura, luz solar concentrada y un fotocatalizador de nitruro de indio y galio, que imita los pasos clave de la fotosíntesis natural. Los experimentos al aire libre muestran que representa un gran avance para la tecnología, siendo casi 10 veces más eficiente que los experimentos comparables de división de agua solar. Específicamente, los investigadores han demostrado que la desintegración fotocatalítica total del agua en las superficies de InGaN/GaN no solo promueve la reacción de descomposición directa del agua, sino que también inhibe la reacción inversa de complejación de hidrógeno y oxígeno a través del efecto térmico infrarrojo generado por la luz solar enfocada de alta intensidad, lo que permite la Nanocables de InGaN para exhibir una eficiencia de desintegración de agua total fotocatalítica extremadamente alta. Los resultados de la investigación se publicaron en el último número de Nature con el título "Eficiencia solar a hidrógeno de más del 9 por ciento en la división fotocatalítica del agua".

Los investigadores lograron una alta eficiencia de STH del 9,2 por ciento utilizando agua pura, luz solar concentrada y un fotocatalizador de nitruro de indio y galio. El éxito de la estrategia en este documento se deriva del efecto sinérgico de promover la evolución directa de hidrógeno y oxígeno e inhibir la recombinación inversa de hidrógeno y oxígeno, que se puede lograr operando a la temperatura de reacción óptima (~70 grados Celsius), directamente recolectando previamente la luz infrarroja desperdiciada de la luz solar. Además, esta estrategia dependiente de la temperatura también dio como resultado eficiencias de STH de ~7 % a partir de agua del grifo y agua de mar ampliamente disponibles, y 6,2 % en un gran sistema fotocatalítico de separación de agua con una capacidad de luz solar natural de 25 7W. Esta investigación proporciona un enfoque práctico para la producción eficiente de combustible de hidrógeno a partir de la luz solar natural y el agua, superando el cuello de botella de eficiencia de la producción solar de hidrógeno.