Crédito: Revista de la American Chemical Society (2025). Doi: 10.1021/jacs.5c01824
La UA de un investigador de ingeniería está utilizando la luz solar y los catalizadores de semiconductores para producir hidrógeno dividiendo las moléculas de agua en sus elementos constituyentes.
“El proceso para formar el semiconductor, llamado polimerización de la condensación térmica, utiliza materiales baratos y abundantes de la tierra, y eventualmente podría conducir a una ruta más eficiente y económica hacia la energía limpia que las tecnologías solares existentes”, dice Karthik Shankar del Proyecto Lead Karthik del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, un experto en el campo de la fotocatálisis.
En una colaboración entre la U de A y la Universidad Técnica de Munich, los resultados de la investigación se publicaron en el Journal of the American Chemical Society.
Shankar utiliza nitruro de carbono derivado de la urea, un químico ampliamente disponible utilizado en fertilizantes, para absorber la luz solar que excita los electrones a un nivel de energía más alto. Cada electrón, y el “agujero” que queda en su ausencia, produce dos cuasi partículas en términos cuánticos llamados “par de agujeros de electrones”.
Dejados para sí mismos, las cuasi partículas se recombinarán para restaurar el equilibrio. Cuando está en contacto con un catalizador de dióxido de titanio, el nitruro de carbono forma una unión entre semiconductores diferentes, una llamada heterounión semiconductora, evitando que se recombinen.
El dióxido de titanio, otro material abundante y barato, se detiene a los electrones de nitruro de carbono, que reaccionan con protones para crear hidrógeno. El agujero se une a los iones hidroxilo en el agua, generando oxígeno.
Ya existe una tecnología para el primer paso en el proceso, produciendo el par de electrones a través de fotovoltaicos junto con la electrólisis, dice Shankar, pero el proceso de dos partes es más costoso y menos eficiente.
“Utiliza un panel solar para generar electricidad, y luego usa esa electricidad para hacer lo que se llama división de agua seca a través de la electrólisis”, dice. “Eso implica mucha pérdida de energía, mientras que usar la luz solar directamente para generar hidrógeno es mucho más eficiente”.
La tecnología de Shankar resuelve dos problemas inherentes a las células solares. Primero, las células solo funcionan de manera intermitente dependiendo de la presencia de la luz solar, y son mucho menos eficientes cuando la luz solar es indirecta. La superficie de nitruro de carbono de Shankar, diseñada con nanocables orientados verticalmente para capturar la luz difusa desde cualquier ángulo, puede funcionar incluso en días nublados.
La energía producida por una célula solar también debe almacenarse, y los avances en la tecnología de la batería han sido relativamente lentos. El combustible de hidrógeno actúa como una tienda eficiente. “En forma comprimida, es denso y portátil: se puede usar cuando lo necesite”, dice Shankar.
La tecnología de panel solar también depende en gran medida del silicio, agrega, con fotovoltaicos de silicio que representan el 85% del mercado global.
“El proceso utilizado para hacer paneles fotovoltaicos tiene una huella ambiental extremadamente grande”, dice Shankar, y agrega que el silicio debe calentarse a 2,000 o 3.000 grados Celsius, produciendo altas emisiones de CO2, NOx y SO2.
Y aunque Silicon es uno de los elementos más abundantes de la corteza de la Tierra, dice Shankar, el 75% se produce en China y Rusia, “no exactamente los mejores amigos de Occidente”, para uso comercial.
Además de ser económico y abundante, el nitruro de carbono tiene una asombrosa resiliencia química, flexibilidad mecánica y estabilidad térmica, las temperaturas resistentes de unos pocos cientos de grados centígrados y resistente a una gran cantidad de ácidos y bases.
La melamina, un químico ampliamente disponible utilizado en la industria del cemento y para hacer vajillas de plástico y laminados, también se puede usar en el proceso en lugar de nitruro de carbono. El laboratorio de Shankar también ha producido hidrógeno a partir de metanol, no tan limpio como usar agua sino útil en algunos contextos.
Si todo va bien, la comercialización a gran escala podría convertirse en una realidad en tres o cinco años, dice.
Más información: Narendra Chaulagain et al, crecimiento heteroepitaxial de nitruro de carbono de carbono de brecha de banda estrecha que usa polimerización in situ para potenciar la división de agua fotoelectroquímica basada en la luz solar, Journal of the American Chemical Society (2025). Doi: 10.1021/jacs.5c01824
Proporcionado por la Universidad de Alberta
Cita: los nanocables de semiconductores capturan la luz solar difusa para dividir el agua y almacenar energía como hidrógeno (2025, 24 de abril) Recuperado el 24 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-semiconductor-nanotires-capture-diffuse-sunlight.html
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