Dispositivos con forma de hojas que son lo suficientemente livianos como para flotar en el agua podrían usarse para generar combustible a partir de granjas solares ubicadas en fuentes de agua abiertas, una vía que no se ha explorado antes, según investigadores de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, que los desarrolló. Los nuevos dispositivos están hechos de sustratos delgados y flexibles y capas absorbentes de luz a base de perovskita, y las pruebas demostraron que pueden producir hidrógeno o gas de síntesis (una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono) mientras flotan en el río Cam.
Las hojas artificiales como éstas son un tipo de célula fotoelectroquímica (PEC) que transforma la luz solar en energía eléctrica o combustible imitando algunos aspectos de la fotosíntesis, como dividir el agua en sus constituyentes oxígeno e hidrógeno. Esto es diferente de las células fotovoltaicas convencionales, que convierten la luz directamente en electricidad.
Debido a que las hojas artificiales de PEC contienen componentes de catálisis y captación de luz en un dispositivo compacto, en principio podrían usarse para producir combustible a partir de la luz solar de manera económica y sencilla. El problema es que las técnicas actuales para fabricarlos no se pueden ampliar. Además, suelen estar compuestos de materiales frágiles y pesados, lo que limita su uso.
En 2019, un equipo de investigadores dirigido por Erwin Reisner desarrolló una hoja artificial que producía gas de síntesis a partir de la luz solar, dióxido de carbono y agua. Este dispositivo contenía dos absorbentes de luz y catalizadores, pero también incorporaba un sustrato de vidrio grueso y revestimientos para proteger contra la humedad, lo que lo hacía engorroso.
Nueva versión ligera
Para fabricar la versión nueva y más ligera, Reisner y sus colegas tuvieron que superar varios desafíos. El primero fue integrar absorbentes de luz y catalizadores en sustratos resistentes a la infiltración de agua. Para ello, eligieron un óxido metálico de película fina, el vanadato de bismuto (BiVO4), y semiconductores fotoactivos conocidos como perovskitas de haluro de plomo, que pueden recubrirse sobre láminas de plástico y metal flexibles. Luego cubrieron los dispositivos con tereftalato de polietileno repelente al agua de una micra de espesor. El resultado fue una estructura que funciona y parece una hoja real.
"Colocamos los absorbentes de luz en el centro de los dispositivos para protegerlos del agua", explica Reisner. "En particular, es necesario aislar completamente la perovskita, sensible a la humedad".
Los catalizadores se depositan a ambos lados del dispositivo. Las perovskitas y BiVO4 recolectan la radiación solar, pero en lugar de producir electricidad como un panel fotovoltaico, utilizan la energía recolectada para impulsar una reacción química con el apoyo de los catalizadores. "Esto nos permite esencialmente impulsar la química en un panel solar; en nuestro caso, convertir el dióxido de carbono del gas de efecto invernadero con agua para producir gas de síntesis, un importante portador de energía industrial", dice Reisner. Mundo de la física.
Los investigadores probaron sus hojas flotando en el río Cam en Cambridge y descubrieron que convierten la luz solar en combustibles con tanta eficiencia como las hojas de las plantas naturales. De hecho, un dispositivo que contiene un catalizador de platino logró una actividad de 4,266 μmoles H2 g-1 h-1.
Granjas para síntesis de combustible.
“Las granjas solares se han vuelto populares para la producción de electricidad; Imaginamos granjas similares para la síntesis de combustible”, dice un miembro del equipo. Virgilio Andrei. "Estos podrían abastecer a asentamientos costeros, islas remotas, cubrir estanques industriales o evitar la evaporación del agua de los canales de riego".
El flujo de líquido se dirige sobre una superficie inspirada en las hojas de las coníferas.
"Muchas tecnologías de energía renovable, incluidas las tecnologías de combustible solar, pueden ocupar grandes cantidades de espacio en la tierra, por lo que trasladar la producción a aguas abiertas significaría que la energía limpia y el uso de la tierra no compiten entre sí", añade Reisner. "En teoría, estos dispositivos podrían enrollarse y colocarse casi en cualquier lugar, en casi cualquier país, lo que también ayudaría con la seguridad energética".
Los investigadores dicen que ahora trabajarán para ampliar y mejorar la eficiencia y estabilidad de sus dispositivos. "Nuestro equipo también está estudiando nuevos catalizadores para ampliar el alcance químico de las hojas artificiales y permitirnos fabricar otros productos a partir de abundantes materias primas e idealmente, a largo plazo, muchos productos químicos diferentes según demanda", afirma Reisner.
El presente estudio se detalla en Naturaleza.
