El hidrógeno es una piedra angular de la transición energética. Para recolectar hidrógeno de la energía solar, los investigadores de LMU han desarrollado nuevas nanoestructuras de alto rendimiento. Este material establece un récord mundial de producción de hidrógeno verde utilizando energía solar.
Cuando Emiliano Cortés va en busca de luz solar, no utiliza reflectores gigantes ni grandes parques solares. Por el contrario, el profesor de física experimental y conversión de energía de la LMU se dedica a estudiar el universo a nanoescala. "Donde las partículas de alta energía (fotones) de la luz solar se encuentran con la estructura atómica es donde comienza nuestra investigación", dijo Cortez. "Estamos trabajando en soluciones materiales para capturar y utilizar la energía solar de manera más eficiente".
Sus hallazgos tienen un gran potencial, ya que podrían permitir nuevos tipos de células solares y fotocatalizadores. La industria tiene grandes esperanzas en los fotocatalizadores porque pueden aprovechar la energía luminosa para reacciones químicas, evitando la necesidad de generar electricidad. Pero Cortés sabía que aprovechar la luz solar presentaba un desafío importante al que también tenían que enfrentarse las células solares: "La luz solar se 'diluye' cuando llega a la Tierra, por lo que la energía por unidad de área es relativamente baja". Los paneles solares compensan esto cubriendo una gran superficie.
Sin embargo, se puede decir que Cortés está abordando el problema desde otra dirección: junto con su equipo en el Nano-Instituto de la Universidad Estatal de Baviera, financiado por el Clúster de Excelencia para la Conversión Electrónica, Solar Technologies go Hybrid (una iniciativa del Ministerio de Ciencias y Artes del Gobierno del Estado de Baviera) y el Consejo Europeo de Investigación, entre otros, está desarrollando las llamadas nanoestructuras plasmónicas que pueden usarse para concentrar energía solar.
Recientemente, Cortés, junto con el Dr. Matthias Herland del Instituto Fritz-Haber de Berlín y socios de la Freie Universität Berlin y la Universidad de Hamburgo, publicaron un artículo en la revista Nature Catalysis que describe un supercristal bidimensional que puede generar hidrógeno a partir de ácido fórmico con la ayuda de la luz solar.
"De hecho, este material es tan bueno que ostenta el récord mundial de producción de hidrógeno a partir de la luz solar", señala Cortés. "Estas son buenas noticias tanto para la producción de fotocatalizadores como para el hidrógeno como portador de energía, ya que desempeñan un papel importante en una transición energética exitosa".
Para sus supercristales, Cortés y Herrán utilizaron dos metales a nanoescala diferentes, explica Herrán: "Primero fabricamos partículas de 10 a 200 nanómetros a partir de un metal plasmónico, en nuestro caso oro. A esta escala, los metales próticos (también plata, cobre, aluminio y magnesio) experimentan un fenómeno especial: la luz visible interactúa muy fuertemente con los electrones del metal, haciéndolos resonar".
Esto significa que los electrones se mueven colectivamente rápidamente de un lado de la nanopartícula al otro, formando una especie de pequeño imán. Los expertos llaman a esto el momento dipolar. "Se trata de un fuerte cambio en la luz entrante, por lo que interactúa más fuertemente con las nanopartículas metálicas", explicó Cortés. "Del mismo modo, podemos pensar en este proceso como una superlente que concentra energía. Nuestros nanomateriales hacen esto a escala molecular. Esto permite que las nanopartículas capturen más luz solar y la conviertan en electrones de alta energía. Estos electrones, a su vez, ayudan a impulsar reacciones químicas".
Pero ¿cómo se puede aprovechar esta energía? Para ello, los científicos de la LMU colaboraron con investigadores de la Universidad de Hamburgo. Dispusieron las partículas de oro en la superficie de manera ordenada basándose en el principio de autoorganización. Las partículas deben estar muy cerca, pero sin tocarse, para maximizar la interacción luz-materia.
Investigadores de TU Berlin, en colaboración con un grupo de investigación de la Freie Universität Berlin, estudiaron las propiedades ópticas de este material y descubrieron que la absorción de luz aumentaba muchas veces. Conjuntos de nanopartículas de oro enfocan la luz entrante de manera extremadamente eficiente, creando fuertes campos eléctricos altamente localizados conocidos como puntos calientes.
Estos puntos calientes se formaron entre partículas de oro, lo que les dio a Cortés y Elam la idea de colocar nanopartículas de platino, un potente material catalizador clásico, en los espacios entre los puntos calientes. El equipo de investigación de Hamburgo lo ha vuelto a hacer.
"El platino no es el material elegido para la fotocatálisis porque absorbe muy mal la luz solar. Sin embargo, podemos forzar el platino en puntos calientes para mejorar esta absorción que de otro modo sería pobre y utilizar la energía luminosa para promover una reacción química. En nuestro caso, la reacción convierte el ácido fórmico en gas hidrógeno", explica Herrán.
Este material fotocatalítico produce 139 milimoles de hidrógeno a partir de ácido fórmico por hora y por gramo de catalizador y actualmente ostenta el récord mundial de producción de hidrógeno utilizando la luz solar.
Actualmente, el hidrógeno se produce principalmente a partir de combustibles fósiles, principalmente gas natural. En un esfuerzo por cambiar a métodos de producción más sostenibles, equipos de investigación de todo el mundo están investigando tecnologías que utilizan materias primas alternativas, como ácido fórmico, amoníaco y agua. El foco de la investigación también incluye el desarrollo de reactores fotocatalíticos adecuados para la producción a gran escala. "Las soluciones de materiales inteligentes como la nuestra son una piedra angular importante del éxito tecnológico", afirman los dos investigadores. "Al combinar metales plasmónicos y catalíticos, estamos avanzando en el desarrollo de potentes fotocatalizadores para aplicaciones industriales. Se trata de una nueva forma de aprovechar la luz solar y ofrece potencial para otras reacciones, como la conversión de dióxido de carbono en sustancias utilizables".
Los dos investigadores solicitaron una patente para su desarrollo material.
Compilado de /ScitechDaily