Un gran avance en tecnología de hidrógeno ha sido publicado recientemente en la Universidad de Santa Cruz. Una noticia tan importante como la generación de hidrógeno puro descubierta por investigadores del CIEMAT.
El aluminio es un metal altamente reactivo que puede extraer el oxígeno de las moléculas de agua para generar gas hidrógeno. Su uso generalizado en productos que se mojan no representa ningún peligro. El aluminio reacciona instantáneamente con el aire para adquirir una capa de óxido de aluminio, y este fenómeno bloquea reacciones posteriores.
La reacción del aluminio y el galio con el agua se conoce desde 1970. El galio tiene la propiedad de mantenerse líquido en un rango de temperatura muy amplio. Esto permite la eliminación de la capa pasiva de óxido de aluminio, y permite el contacto directo del aluminio con el agua.
«No necesitamos ninguna entrada de energía, y burbujea hidrógeno como loco”, explica Bakthan Singaram, profesor de química en el número de febrero de la revista Applied Nano Materials. “Nunca había visto algo así”, añade en la web de la Universidad Scott Oliver, el profesor de química de la UCSC.
Singaram ha explicado que el estudio surgió a raíz de una conversación que mantuvo con un estudiante, Isai López, coautor del trabajo. Despues de ver videos sobre la interacción del aluminio y el galio, comenzó a experimentar directamente en la cocina de su casa con la generación de hidrógeno utilizando estos dos metales. Convencido del interés de esta investigación, Singaram puso a López a experimentar de manera científica bajo la dirección de un estudiante de posgrado. “Pensé que sería una buena tesis para él medir la producción de hidrógeno a partir de diferentes proporciones de galio y aluminio», dice.
Aluminio y galio los protagonistas del último avance en tecnología de hidrógeno
La tasa de producción de hidrógeno fue tan alta que los investigadores pensaron que debía haber algo fundamentalmente diferente en esta aleación rica en galio. Esta observación fue la piedra angular de esta línea de investigación.
Oliver sugirió que la formación de nanopartículas de aluminio podría explicar el aumento de la producción de hidrógeno. Su laboratorio tenía el equipo necesario para la caracterización a nanoescala de la aleación. Usando microscopía electrónica de barrido y difracción de rayos X, los investigadores mostraron la formación de nanopartículas de aluminio en un compuesto de galio-aluminio 3: 1. Así definirieron la proporción óptima para la producción de hidrógeno.
En este compuesto rico en galio, el galio sirve tanto para disolver el revestimiento de óxido de aluminio como para separar el aluminio en nanopartículas. «El galio separa las nanopartículas y evita que se agreguen en partículas más grandes», dice Singaram. «La gente ha luchado para hacer nanopartículas de aluminio, y aquí las estamos produciendo en condiciones normales de presión atmosférica y temperatura ambiente».
Este avance en tecnología de hidrógeno parte de una mezcla manual
Hacer el compuesto no requiere nada más que una simple mezcla manual. «Nuestro método utiliza una pequeña cantidad de aluminio, lo que garantiza que todo se disuelva en la mayoría de galio como nanopartículas discretas», dice el investigador. «Esto genera una cantidad de hidrógeno mucho mayor, casi completa en comparación con el valor teórico basado en la cantidad de aluminio. También facilita la recuperación de galio para su reutilización».
Este material compuesto se puede fabricar con fuentes de aluminio fácilmente disponibles, como por ejemplo, latas usadas. El material compuesto se puede almacenar durante períodos prolongados cubriéndolo con ciclohexano para protegerlo de la humedad.
El galio se puede recuperar y reutilizar varias veces sin perder eficacia. Sin embargo, un inconveniente es que es un elemento escaso y tiene un coste económico alto. Esto cuestiona emplearlo a escala comercial.
🥈 Fotosíntesis artificial para obtener hidrógeno
Otro gran avance en la generación de hidrógeno se publico el pasado año. Una línea de investigación de tres años de científicos de la Universidad de Michigan finalizó con éxito. Descubrieron un dispositivo de fotosíntesis artificial hecho de nitruro de silicio y galio (Si/GaN) . Este aprovecha la luz solar en hidrógeno libre de carbono para pilas de combustible con el doble de eficiencia y estabilidad que algunas tecnologías anteriores. El descubrimiento se publicó en la revista Nature Materials.
En abril de 2021, los científicos de la Universidad de Berkeley del Departamento de Energía, comunicaron el descubrimiento de una propiedad sorprendente en Si/GaN. Se trata del rendimiento altamente eficiente y estable del material en la conversión de luz y agua en hidrógeno libre de carbono. Su aportación podría ayudar a acelerar radicalmente la comercialización de tecnologías de fotosíntesis artificial y pilas de combustible de hidrógeno.
Los materiales de fotosíntesis artificial anteriores son excelentes absorbentes de luz. Son materiales duraderos que carecen de eficiencia de absorción de luz. El nitruro de silicio y galio son materiales abundantes y baratos. Se utilizan ampliamente como semiconductores en la electrónica cotidiana. Un ejmplo son los LED (diodos emisores de luz) y las células solares.
Cuando el dispositivo Si/GaN de Mi logró una eficiencia récord del 3 por ciento de energía solar a hidrógeno, se abrió un nuevo horizonte. Las líneas de investigación se centraron en descubrir cómo estos materiales ordinarios podrían funcionar tan extraordinariamente bien en un exótico dispositivo de fotosíntesis artificial.
Por lo general, los materiales en los sistemas de combustibles solares se degradan, se vuelven menos estables. Por lo tanto, producen hidrógeno de manera menos eficiente. El gran avance es una propiedad inusual en Si/GaN que le permite volverse más eficiente y estable.
¿Cómo alcanzaron los avances en obtención de hidrógeno mediante la fotosíntesis artificial?
El autor principal Guosong Zeng, un académico postdoctoral del Laboratorio de Berkeley junto a Francesca Toma, sospecharon que GaN podría estar desempeñando un papel en el potencial inusual del dispositivo para la eficiencia y estabilidad de la producción de hidrógeno.
Guosong Zeng, un becario postdoctoral del Laboratorio de Berkeley, trabajó probando un dispositivo de fotosíntesis artificial hecho de nitruro de galio. Zeng llevó a cabo un experimento de microscopía de fuerza atómica fotoconductora en el laboratorio. Se trataba de probar cómo los fotocátodos de GaN podían convertir eficientemente los fotones absorbidos en electrones. Luego reclutar esos electrones libres para dividir el agua en hidrógeno, antes de que el material comenzara a degradarse. Esto implicaría ser menos estable y eficiente.
Esperaban ver una fuerte disminución en la eficiencia y estabilidad de absorción de fotones del material después de solo unas pocas horas. Para su asombro, observaron una mejora de 2-3 órdenes de magnitud en la fotocorriente del material proveniente de pequeñas facetas a lo largo de la «pared lateral» del grano de GaN. Aún más desconcertante fue que el material había aumentado su eficiencia con el tiempo, a pesar de que la superficie general del material no cambió mucho. «En otras palabras, en lugar de empeorar, el material mejoró», dijo Zeng.
Para reunir más pistas, los investigadores reclutaron microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) y espectroscopia de fotones de rayos X (XPS) dependiente del ángulo.
Esos experimentos revelaron que una capa de un nanómetro mezclada con galio, nitrógeno y oxígeno , o oxinitruro de galio , se había formado a lo largo de algunas de las paredes laterales. Se había producido una reacción química sitios catalíticos activos para reacciones de producción de hidrógeno.
La teoría funcional de la densidad facilita el avance en tecnología de hidrógeno
Las simulaciones de la teoría funcional de la densidad (DFT) realizadas por Tadashi Ogitsu y Tuan Anh Pham confirmaron sus observaciones. «Al calcular el cambio de distribución de especies químicas en partes específicas de la superficie del material, encontramos con éxito una estructura superficial que se correlaciona con el desarrollo del oxinitruro de galio como un sitio de reacción de evolución del hidrógeno», dijo Ogitsu. «Esperamos que nuestros hallazgos y enfoque, se utilicen para mejorar aún más las tecnologías de producción de hidrógeno renovable».
«Hemos estado trabajando en este material durante más de 10 años. Sabemos que es estable y eficiente. Pero esta colaboración ayudó a identificar los mecanismos fundamentales detrás de por qué se vuelve más robusto y eficiente en lugar de degradarse. Los hallazgos de este trabajo nos ayudarán a construir dispositivos de fotosíntesis artificial más eficientes a un costo más bajo».
Mirando hacia el futuro, Toma dijo que a ella y a su equipo les gustaría probar el fotocátodo de Si / GaN en una célula fotoelectroquímica que divide el agua, y que Zeng experimentará con materiales similares para obtener una mejor comprensión de cómo los nitruros contribuyen a la estabilidad en dispositivos de fotosíntesis artificial, que es algo que nunca pensaron que sería posible.
«Fue totalmente sorprendente», dijo Zeng. «No tenía sentido, pero los cálculos de DFT de Pham nos dieron la explicación que necesitábamos para validar nuestras observaciones. Nuestros hallazgos nos ayudarán a diseñar dispositivos de fotosíntesis artificial aún mejores».
«Esta fue una red de colaboración sin precedentes entre National Labs y una universidad de investigación», dijo Toma. «El consorcio HydroGEN nos unió: nuestro trabajo demuestra cómo el enfoque de Ciencia del Equipo de los Laboratorios Nacionales puede ayudar a resolver grandes problemas que afectan al mundo entero».
Fuente: Universidad Santa Cruz, Universidad Berkley
