Investigadores de Caltech y Berkeley Lab han duplicado prácticamente en dos años el número de materiales que se sabe tienen potencial de uso en combustibles solares.
Lo hicieron desarrollando un proceso que promete acelerar el descubrimiento de combustibles solares comercialmente viables que podrían reemplazar el carbón, el petróleo y otros combustibles fósiles.
Los combustibles solares, un sueño de investigación de energía limpia, se crean utilizando sólo la luz solar, el agua y el dióxido de carbono (CO2). Los investigadores están explorando una gama de combustibles objetivo, desde el gas hidrógeno hasta los hidrocarburos líquidos, y la producción de cualquiera de estos combustibles implica la división del agua.
Cada molécula de agua está compuesta por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. Los átomos de hidrógeno se extraen y luego se pueden reunir para crear gas de hidrógeno altamente inflamable o combinado con CO2 para crear combustibles hidrocarbonados, creando una fuente de energía abundante y renovable.
El problema, sin embargo, es que las moléculas de agua no se rompen simplemente cuando la luz del sol brilla en ellas - si lo hicieran, los océanos no cubrirían la mayor parte del planeta. Necesitan un poco de ayuda de un catalizador de energía solar.
Para crear combustibles solares prácticos, los científicos han estado tratando de desarrollar materiales de bajo costo y eficientes, conocidos como fotoanodos, que son capaces de dividir el agua usando la luz visible como una fuente de energía. Durante las últimas cuatro décadas, los investigadores identificaron sólo 16 de estos materiales fotoanodados. Ahora, utilizando un nuevo método de alto rendimiento para identificar nuevos materiales, un equipo de investigadores liderados por John Gregoire y Berkeley Lab de Jeffrey Neaton y Qimin Yan de Caltech han encontrado 12 nuevos fotoanodos prometedores.
Para crear combustibles solares prácticos, los científicos han estado tratando de desarrollar materiales de bajo costo y eficientes, conocidos como fotoanodos, que son capaces de dividir el agua usando la luz visible como una fuente de energía
Un artículo sobre el método y los nuevos fotoanodos aparece esta semana en la revista Proceedings de la Academia Nacional de Ciencias. El nuevo método se desarrolló a través de una asociación entre el Centro Conjunto de Fotosíntesis Artificial (JCAP) de Caltech y el Proyecto de Materiales del Laboratorio de Berkeley, utilizando recursos de la Fundición Molecular y el Centro Nacional de Investigación Científica en Energía (NERSC).
"Esta integración de la teoría y el experimento es un modelo para llevar a cabo la investigación en un mundo cada vez más interdisciplinario", dice Gregoire, coordinador de JCAP para Fotoelectrocatálisis y líder del grupo de experimentación de alto rendimiento. "Es emocionante encontrar 12 nuevos fotoanodos potenciales para la fabricación de combustibles solares, pero aún más para tener un nueva vía de descubrimientos de materiales en el futuro".
"Lo que es particularmente significativo en este estudio, que combina el experimento y la teoría, es que además de identificar varios compuestos nuevos para aplicaciones de combustible solar, también pudimos aprender algo nuevo sobre la estructura electrónica subyacente de los materiales mismos", dice Neaton, director de Molecular Foundry.
Los procesos anteriores de descubrimiento de materiales se basaron en ensayos pesados de compuestos individuales para evaluar su potencial de uso en aplicaciones específicas. En el nuevo proceso, Gregoire y sus colegas combinaron enfoques computacionales y experimentales, primero extrayendo una base de datos de materiales para compuestos potencialmente útiles, revisándola en base a las propiedades de los materiales y luego probando rápidamente a los candidatos más prometedores usando experimentación de alto rendimiento.
En el trabajo descrito en PNAS, exploraron 174 vanadatos del metal: compuestos que contienen los elementos vanadio y oxígeno junto con otro elemento de la tabla periódica.
La investigación, dice Gregoire, revela cómo diferentes opciones para este tercer elemento puede producir materiales con diferentes propiedades, y revela cómo "afinar" esas propiedades para hacer un mejor fotoanodo.
"El avance clave del equipo fue combinar las mejores capacidades permitidas por la teoría y los supercomputadores con nuevos experimentos de alto rendimiento para generar conocimiento científico a un ritmo sin precedentes", dice Gregoire.
