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Hematita para dividir el H2O y crear hidrógeno a través de la energía solar.

hematita

Créditos de las imagenes: Rami Shelush, Technion Spokesperson's office.

¿Podrían los nuevos hallazgos explicar un antiguo misterio y mejorar el uso de la hematita para dividir el H2O a través de la energía solar?

Energy & Environmental Science ha informado de un avance científico en el estudio de la hematita, un material importante y prometedor en la conversión de energía solar en hidrógeno a través de la división foto electroquímica del agua.

El proyecto de investigación fue dirigido por el profesor Avner Rothschild.

La importancia de la energía solar para nuestras vidas es obvia.

El sol transmite energía a la Tierra continuamente, y si somos capaces de aprovecharla para nuestras necesidades, ya no será necesario el uso de combustibles fósiles y contaminantes como el petróleo y el gas.

El principal desafío al cambiar a la energía solar radica en la disponibilidad variable de luz solar a medida que avanza el día y cambian las estaciones.

Todos los lugares de la tierra experimentan la luz solar durante un período limitado durante el día, pero, naturalmente, no hay luz solar durante la noche.

Dado que la red eléctrica necesita una energía estable a todas horas del día y de la noche, el uso de la energía solar depende de nuestra capacidad para almacenarla para poder utilizarla por la noche y en días nublados.

El problema es que la forma conocida de almacenamiento de energía eléctrica, las baterías, es inaplicable cuando se trata del suministro de electricidad para una ciudad, un barrio, un lugar de fabricación, etc.

Además, la energía almacenada en las baterías es adecuada para unas pocas horas.

Las baterías no pueden proporcionar una solución para el almacenamiento a largo plazo.

Una posible solución al problema del almacenamiento es convertir la energía solar en hidrógeno utilizando células solares fotoelectroquímicas.

Estas células son similares a las células fotovoltaicas, que convierten la energía solar en electricidad, pero en lugar de producir electricidad, producen hidrógeno utilizando la energía eléctrica (corriente ´ voltaje) generada en ellas.

El poder se utiliza para la división fotoelectroquímica del agua: el uso de la energía de la luz solar para disociar directamente las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno.

La ventaja del hidrógeno sobre la electricidad radica en el hecho de que es fácil de almacenar y se puede utilizar cuando sea necesario para generar electricidad o para otros requisitos.

Por ejemplo, para alimentar FCEV (vehículos eléctricos de pila de combustible).

En tales casos, la celda de combustible reemplaza las baterías pesadas y costosas de los automóviles Tesla y vehículos similares, y también podría usarse para calefacción residencial e industrial, y la producción de amoníaco y otras materias primas.

La ventaja del hidrógeno como combustible es que su producción y consumo no implican emisiones de gases de efecto invernadero, ni ninguna otra emisión, además de oxígeno y agua.

Uno de los principales desafíos en las células fotoelectroquímicas es el desarrollo de fotoelectrodos estables y eficientes en un electrolito básico o ácido, que es el entorno químico en el que el agua se puede dividir de manera eficiente en hidrógeno y oxígeno.

Los fotoelectrodos absorben los fotones emitidos por el sol y utilizan su energía para generar portadores de carga electrónicos (electrones y huecos, o electrones faltantes) que producen hidrógeno y oxígeno, respectivamente.

El silicio, que es el material semiconductor utilizado en las células fotovoltaicas, no puede servir como fotoelectrodo de este tipo, ya que es inestable en un electrolito.

Este es el contexto en el que se desarrollaron las células fotoelectroquímicas basadas en fotoelectrodos de hematita.

La hematita es un óxido de hierro que tiene una composición química similar a la oxidación.

La hematita es económica, estable y no tóxica, y tiene propiedades adecuadas para la división del agua.

Sin embargo, la hematita también tiene sus desventajas, una de las cuales es la brecha entre su rendimiento energético teórico y el rendimiento logrado en la práctica en dispositivos reales.

Por razones que no se han aclarado hasta la fecha a pesar de décadas de investigación, la eficiencia de conversión de fotón a hidrógeno en dispositivos basados en hematita no es ni la mitad del límite teórico para este material.

En comparación, la eficiencia de conversión de fotones en células solares de silicio está muy cerca del límite teórico.

En la presente investigación, que amplía y aumenta los hallazgos publicados recientemente en Nature Materials, el equipo de investigación encabezado por el profesor Rothschild presenta una explicación del misterio.

Resulta que los fotones absorbidos por la hematita producen transiciones electrónicas localizadas que están «encadenadas» a una ubicación atómica específica en el cristal de hematita, lo que los hace incapaces de generar la corriente eléctrica utilizada para la división del agua, es decir, la separación del agua en sus elementos. hidrógeno y oxígeno.

Y ahora las buenas noticias:

Utilizando un nuevo método de análisis desarrollado por Yifat Piekner con la ayuda de sus colegas de investigación, el Dr. David Ellis y el Dr. Daniel Grave,  l los datos se midieron por primera vez:

Primero, la eficiencia cuántica en la generación de transiciones electrónicas móviles (productivas) y localizadas (no productivas) en un material como resultado de la absorción de fotones en diferentes longitudes de onda.

Segundo, la eficiencia de separación de agujeros de electrones

Esta es la primera vez que estas dos propiedades (la primera, de naturaleza óptica y la segunda, eléctrica) se han medido por separado, mientras que estudios anteriores midieron el efecto combinado de ambas propiedades juntas.

Su separación permite una comprensión más profunda de los factores que influyen en la eficiencia energética de los materiales para la conversión de la energía solar en hidrógeno o electricidad.

Además del logro en términos de aplicación práctica, este es un avance científico que allana un nuevo camino para la investigación de la interacción luz-materia en materiales electrónicos correlacionados.

 

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