Más cerca de la energía limpia y barata del hidrógeno obtenido mediante energía solar

Durante décadas, investigadores de todas partes del mundo han buscado formas de utilizar la energía solar para generar una reacción simple con la que producir hidrógeno como fuente de energía limpia: descomponer las moléculas de agua para obtener hidrógeno y oxígeno. Sin embargo, estos esfuerzos han fracasado en su mayoría porque hacerlo bien era demasiado costoso, y tratar de hacerlo a bajo coste llevaba a un rendimiento pobre.

Ahora, el equipo de Edward Yu, de la Universidad de Texas en Austin, Estados Unidos, ha encontrado una forma barata pero eficaz de utilizar la luz solar para separar eficazmente las moléculas de oxígeno del agua y resolver la mitad de la ecuación, por así decirlo. El hallazgo representa un paso adelante hacia la adopción generalizada del hidrógeno como parte fundamental de la infraestructura energética mundial.

Ya en la década de 1970, diversos científicos estudiaron la posibilidad de utilizar la energía solar para obtener hidrógeno del agua. Pero la incapacidad de encontrar materiales con la combinación de propiedades necesarias para un dispositivo capaz de realizar las reacciones químicas clave de forma eficiente ha impedido conseguir un método comercialmente válido.

Se necesitan materiales que sean buenos en absorber la luz solar y que, al mismo tiempo, no se degraden mientras se producen las reacciones de descomposición del agua. Resulta que los materiales que son buenos en absorber la luz solar tienden a ser inestables bajo las condiciones requeridas para la reacción de descomposición del agua, mientras que los materiales que son estables tienden a ser malos absorbentes de la luz solar. Estos requisitos antagónicos llevan a un dilema aparentemente irresoluble. Hay un modo de evitar esto y es combinando materiales en un único dispositivo (grosso modo, un material que absorba eficazmente la luz solar, como el silicio, y otro material que proporcione una buena estabilidad, como el dióxido de silicio).

Sin embargo, esto acarrea otro reto: los electrones y los huecos creados por la absorción de la luz solar en el silicio deben poder moverse fácilmente a través de la capa de dióxido de silicio. Para ello, la capa de dióxido de silicio no debe tener más de unos pocos nanómetros, lo que reduce su eficacia a la hora de proteger a la capa de silicio absorbente contra la degradación.

La solución ingeniosa del equipo de Yu se basa en recurrir a un método de creación de conductos eléctricamente conductores a través de una capa gruesa de dióxido de silicio. El método puede ponerse en práctica a bajo coste y a escala industrial (es capaz de afrontar altos volúmenes de fabricación).

El aparato experimental construido por el equipo de Yu para descomponer agua. (Foto: Cockrell School of Engineering, The University of Texas at Austin)

Recubriendo la capa de dióxido de silicio con una fina película de aluminio y calentando después toda la estructura, se forman conjuntos de "púas" nanométricas de aluminio que puentean completamente la capa de dióxido de silicio. Estos pueden entonces sustituirse fácilmente por níquel u otros materiales que ayuden a catalizar las reacciones de descomposición del agua.

Cuando son iluminados por la luz solar, los dispositivos fabricados con este nuevo diseño pueden oxidar eficazmente el agua para formar moléculas de oxígeno, al tiempo que liberan hidrógeno en un electrodo separado, y presentan una estabilidad extraordinaria en un funcionamiento prolongado. Dado que las técnicas empleadas para crear estos dispositivos se utilizan habitualmente en la fabricación de semiconductores electrónicos, debería ser fácil adaptarlas para producir los nuevos dispositivos en cantidades industriales.

Yu y sus colegas exponen los detalles técnicos de este avance en la revista académica Nature Communications, bajo el título “Scalable, highly stable Si-based metal-insulator-semiconductor photoanodes for water oxidation fabricated using thin-film reactions and electrodeposition”. (Fuente: NCYT de Amazings)