Un laboratorio de la Universidad de Stanford, en Estados Unidos, ha desarrollado nuevas tecnologías para hacer frente a dos de los desafíos energéticos más grandes del mundo.
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Un laboratorio de investigación de la Universidad de Stanford, en Estados Unidos, ha desarrollado nuevas tecnologías para hacer frente a dos de los desafíos energéticos más grandes del mundo: combustible limpio para el transporte y almacenamiento de energía a escala de red. Los científicos describen sus resultados en dos estudios publicados este mes en 'Science Advances' y 'Nature Communications'.
El combustible de hidrógeno ha sido promocionado como una alternativa limpia a la gasolina. Los fabricantes de automóviles comenzaron a ofrecer automóviles propulsados ??por hidrógeno a los consumidores estadounidenses el año pasado, pero sólo se han vendido unos pocos, principalmente porque las estaciones de servicio de hidrógeno son escasas y están distantes entre sí.
"Millones de coches podrían ser alimentados mediante combustible de hidrógeno limpio si fuera barato y estuviera ampliamente disponible", señala Yi Cui, profesor asociado de Ciencias de los Materiales e Ingeniería en Stanford.
A diferencia de los vehículos de gasolina, que emiten dióxido de carbono (CO2), los coches de hidrógeno en sí están libres de emisiones. Sin embargo, la fabricación de combustible de hidrógeno, no está libre de emisiones: en la actualidad, la mayor parte de combustible de hidrógeno implica gas natural en un proceso que libera CO2 a la atmósfera.
Para abordar el problema, Cui y sus colegas se centraron en la división de agua fotovoltaica, una tecnología emergente que consiste en un electrodo alimentado por energía solar que se sumerge en agua. Cuando la luz incide en el electrodo, se genera una corriente eléctrica que divide el agua en sus partes constituyentes, hidrógeno y oxígeno.
Encontrar una forma económica de producir hidrógeno a partir de agua limpia ha sido un reto. Los electrodos solares convencionales de silicio se corroen rápidamente cuando se exponen al oxígeno, un subproducto clave de la división del agua. Varios grupos de investigación han reducido la corrosión mediante el recubrimiento del silicio con iridio y otros metales preciosos.
En la edición de este viernes de 'Science Advances', Cui y sus colegas presentan un nuevo enfoque usando vanadato de bismuto, un compuesto de bajo costo que absorbe la luz solar y genera pequeñas cantidades de electricidad.
"El vanadato de bismuto ha sido ampliamente considerado como un material prometedor para la disociación del agua fotoelectroquímica, en parte debido a su bajo costo y la alta estabilidad frente a la corrosión --explica Cui, profesor asociado de Ciencias de Fotones en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC, en Estados Unidos--. Sin embargo, el rendimiento de este material se mantiene muy por debajo de su eficiencia de conversión teórica solar a hidrógeno".
El vanadato de bismuto absorbe la luz, pero es un mal conductor de la electricidad. Para transportar una corriente, una célula solar hecha de vanadato de bismuto debe cortarse en láminas muy finas, de 200 nanómetros o menos, por lo que es prácticamente transparente. Como resultado, la luz visible que podría emplearse para generar electricidad simplemente pasando a través de la célula.
Para capturar la luz del sol antes de que escape, el equipo de Cui recurrió a la nanotecnología. Los investigadores crearon matrices microscópicas que contienen miles de nanoconos de silicio, cada una de unos 600 nanómetros de altura.
"Las estructuras de nanoconos han demostrado una prometedora capacidad de atrapar la luz en un amplio rango de longitudes de onda -subraya Cui--. Cada cono tiene la forma óptima para capturar la luz del sol que de otra manera pasaría a través de la delgada célula solar".
En el experimento, Cui y sus colegas depositaron las matrices nanoconos en una película fina de vanadato de bismuto. A continuación, se colocaron ambas capas en una célula solar hecha de otro material fotovoltaico prometedor, perovskita.
Al sumergirse, el dispositivo de tres capas comenzó de inmediato la división de agua con una eficiencia de conversión de energía solar e hidrógeno del 6,2 por ciento, de manera que coincide con el tipo máximo teórico para una célula de vanadato de bismuto.
"La célula solar en tándem continuó la generando hidrógeno durante más de diez horas, una indicación de buena estabilidad", resalta Cui, investigador principal en el Instituto de Materiales y Ciencias de la Energía de Stanford. "A pesar de que la eficacia demostrada era sólo del 6,2 por ciento, nuestro dispositivo en tándem tiene margen de mejora importante en el futuro", agrega.
UNA BATERÍA RECARGABLE DE ZINC
En un segundo estudio publicado en la edición del pasado 6 de junio de 'Nature Communications', Cui y Shogo Higashi, científico visitante de 'Toyota Central R&D Labs Inc.', propuso un nuevo diseño de la batería que podría ayudar a resolver el problema del almacenamiento de energía a escala de red.
"Las granjas eólicas y solares deben ser capaces de proporcionar energía las 24 horas del día para la red eléctrica, incluso cuando no hay luz solar o viento --resalta Cui--. Eso requerirá baterías de bajo costo y otras tecnologías de bajo costo lo suficientemente grandes como para almacenar excedentes de energía limpia para su uso bajo demanda".
En el estudio, Cui, Higashi y sus compañeros diseñaron una nueva batería con electrodos de zinc y níquel, metales de bajo costo con el potencial de almacenamiento a escala de red. Una variedad de baterías de zinc de metal están disponibles comercialmente, pero pocas son recargables, debido a que se forman pequeñas fibras llamadas dendritas en el electrodo de zinc durante la carga.
Estas dendritas pueden crecer hasta que finalmente llegan al electrodo de níquel, haciendo que la batería se cortocircuite y falle. El equipo de investigación resolvió el problema de las dendritas simplemente rediseñando la batería. En lugar de tener los electrodos de zinc y níquel enfrentados el uno al otro, como en una batería convencional, los separaron con un aislante de plástico y envolvieron con un aislante de carbono alrededor de los bordes del electrodo de zinc.
"Con nuestro diseño, se reducen los iones de zinc y se depositan en la superficie expuesta posterior del electrodo de zinc durante la carga", resalta Higashi, autor principal del estudio. "Por lo tanto, incluso si se forman las dendritas de zinc, crecerán lejos del electrodo de níquel y no generarán cortocircuitos en la batería".
Para demostrar la estabilidad, los investigadores cargaron y descargaron con éxito la batería más de 800 veces sin poner en cortocircuito. "Nuestro diseño es muy simple y se podría aplicar a una amplia gama de baterías de metal", concluye Cui.
AGENCIA UNO
