La energía solar pieza clave en el desarrollo del hidrógeno verde

Se intensifica la investigación de avances tecnologicos en energía solar con aplicaciones en hidrógeno. El motivo es evidente. Cada vez más países están comprometidos con la neutralidad climática. El mundo necesita encontrar soluciones para descarbonizar hasta la última parte de nuestra economía. El hidrógeno es la palabra en boca de todos. Debido a su naturaleza polifacética y versátil, puede desempeñar un papel clave para abordar los desafíos futuros. Por un lado, puede servir como portador de energía o como materia prima. Por otro lado, se puede utilizar para almacenar electricidad renovable estacional.

El hidrógeno tiene un gran potencial para facilitar la descarbonización de sectores industriales. Estos sectores son difíciles de descarbonizar y tienen un uso intensivo de energía, por ejemplo, el acero. Además, se puede utilizar como combustible ecológico para los modos de transporte de servicio pesado y a gran distancia.

Avances en la tecnología tecnología solar para generación de hidrógeno

Los científicos han demostrado que la modificación de la capa superior de átomos en la superficie de los electrodos puede tener un impacto notable en la actividad de la división del agua solar. La revista cientifica Nature Energy ha publicado recientemente que, los electrodos de vanadato de bismuto con más bismuto en la superficie (en relación con el vanadio) generan mayores cantidades de corriente eléctrica cuando absorben energía de la luz solar.

Esta fotocorriente impulsa las reacciones químicas que dividen el agua en oxígeno e hidrógeno. El hidrógeno se puede almacenar para su uso posterior como combustible limpio. Produciendo solo agua cuando se recombina con oxígeno para generar electricidad en celdas de combustible. El hidrógeno podría ayudarnos a lograr un futuro energético limpio y sostenible.

Mingzhao Liu, científico del Grupo de Catálisis y Ciencia de Interfaces del Centro de Nanomateriales expone: “La terminación de la superficie modifica la energía interfacial del sistema, o cómo la capa superior interactúa con la masa. Una superficie terminada en bismuto exhibe una fotocorriente que es 50 por ciento más alta que una terminada en vanadio.”

“Estudiar los efectos de la modificación de la superficie con una comprensión a nivel atómico de sus orígenes es extremadamente desafiante y requiere investigaciones experimentales y teóricas estrechamente integradas”, dijo la coautora correspondiente Giulia Galli de la Universidad de Chicago y el Laboratorio Nacional Argonne del DOE.

“También requiere la preparación de muestras de alta calidad con superficies bien definidas y métodos para sondear las superficies independientemente del volumen”, agregó Kyoung-Shin Choi de la Universidad de Wisconsin-Madison.

Los científicos se propusieron diseñar estrategias para iluminar los efectos de la composición de la superficie del electrodo.

Vanadato de bismuto: el nexo de energía solar e hidrógeno

El vanadato de bismuto es un material de electrodo prometedor para la división del agua sola. El motivo es que absorbe fuertemente la luz solar en un rango de longitudes de onda y permanece relativamente estable en el agua. En los últimos años, Liu ha perfeccionado un método para cultivar con precisión películas delgadas monocristalinas de este material. Los pulsos de láser de alta energía golpean la superficie del vanadato de bismuto policristalino dentro de una cámara de vacío. El calor del láser hace que los átomos se evaporen y caigan sobre la superficie de sustrato para formar una película delgada.

“Para ver cómo las diferentes terminaciones de la superficie afectan la actividad fotoelectroquímica, es necesario poder preparar electrodos cristalinos con la misma orientación y composición en masa”, explicó Chenyu Zhou, investigador graduado de la Universidad de Stony Brook que trabaja con Liu. “Quieres comparar manzanas con manzanas”.

Para crear una superficie rica en bismuto, los científicos colocaron una muestra en una solución de hidróxido de sodio, una base fuerte.

“Los átomos de vanadio tienen una alta tendencia a ser arrancados de la superficie por esta solución básica”, dijo Dongho Lee, un investigador graduado que trabaja con Choi. “Optimizamos la concentración de la base y el tiempo de inmersión de la muestra para eliminar solo los átomos de vanadio de la superficie”.

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La técnica de microscopia de efecto tunel

Para confirmar que este tratamiento químico cambió la composición de la capa superficial superior, los científicos recurrieron a la espectroscopia de dispersión de iones de baja energía (LEIS) y la microscopía de efecto túnel (STM) en el CFN.

En LEIS, los átomos cargados eléctricamente con baja energía, en este caso, helio, se dirigen a la muestra. Cuando los iones de helio golpean la superficie de la muestra, se dispersan en un patrón característico dependiendo de qué átomos estén presentes en la parte superior. Según el análisis LEIS del equipo, la superficie tratada contenía casi por completo bismuto, con una proporción de 80 a 20 de bismuto a vanadio.

“Otras técnicas, como la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X, también pueden indicarle qué átomos hay en la superficie, pero las señales provienen de varias capas de la superficie”, explicó Liu. “Es por eso que LEIS fue tan crítico en este estudio: nos permitió sondear solo la primera capa de átomos de la superficie”.

En STM, una punta eléctricamente conductora se escanea muy cerca de la superficie de la muestra mientras se mide la corriente de túnel que fluye entre la punta y la muestra. Al combinar estas medidas, los científicos pueden mapear la densidad de electrones (cómo se organizan los electrones en el espacio) de los átomos de la superficie. Al comparar las imágenes STM antes y después del tratamiento, el equipo encontró una clara diferencia en los patrones de arreglos atómicos correspondientes a superficies ricas en vanadio y bismuto, respectivamente.

El tratamiento químico altero la primera capa

“La combinación de STM y LEIS nos permitió identificar la estructura atómica y los elementos químicos en la capa superficial superior de este material de fotoelectrodo”, dijo el coautor Xiao Tong, científico de planta del Grupo de Catálisis y Ciencia de Interfaz CFN y gerente de la superficie de la sonda múltiple. sistema de análisis utilizado en los experimentos. “Estos experimentos demuestran el poder de este sistema para explorar las relaciones estructura-propiedad dominadas por la superficie en aplicaciones de investigación fundamentales”.

Las imágenes STM simuladas basadas en modelos estructurales de superficie derivados de cálculos del primer principio (aquellos basados en las leyes fundamentales de la física) coincidieron estrechamente con los resultados experimentales.

“Nuestros cálculos del primer principio proporcionaron una gran cantidad de información, incluidas las propiedades electrónicas de la superficie y las posiciones exactas de los átomos”, dijo el coautor y becario postdoctoral del Galli Group, Wennie Wang. “Esta información fue fundamental para interpretar los resultados experimentales”.

Después de demostrar que el tratamiento químico alteró con éxito la primera capa de átomos, el equipo comparó el comportamiento electroquímico inducido por la luz de las muestras tratadas y no tratadas.

“Nuestros resultados experimentales y computacionales indicaron que las superficies ricas en bismuto conducen a una energía superficial más favorable y propiedades fotoelectroquímicas mejoradas para la división del agua”, dijo Choi. “Además, estas superficies empujaron el fotovoltaje a un valor más alto”.

La obtención del hidrogeno tras la acción de la energía solar

Muchas veces, las partículas de luz (fotones) no proporcionan suficiente energía para que el agua se divida. Por eso, se necesita un voltaje externo para ayudar a realizar la química. Desde una perspectiva de eficiencia energética, desea aplicar la menor cantidad de electricidad adicional posible.

Según los investigadores, cuando el vanadato de bismuto absorbe luz, genera electrones y huecos de electrones llamados huecos. Ambos portadores de carga necesitan tener suficiente energía para realizar la química necesaria para la reacción de división del agua. Los agujeros sirven para oxidar el agua en gas oxígeno y electrones para reducir el agua en gas hidrógeno. Mientras que los agujeros tienen energía más que suficiente, los electrones no. Lo que encontramos es que la superficie terminada en bismuto eleva los electrones a una energía más alta, lo que facilita la reacción.

Los agujeros pueden recombinarse fácilmente con electrones en lugar de transferirse al agua. El equipo realizó experimentos adicionales para comprender el efecto directo de las terminaciones de la superficie en las propiedades fotoelectroquímicas. Midieron la fotocorriente de ambas muestras para determinar la oxidación del sulfito. El sulfito, un compuesto de azufre y oxígeno, es un “eliminador de agujeros”. Esto significa que acepta rápidamente los agujeros, antes de que tengan la oportunidad de recombinarse con los electrones. En estos experimentos, las superficies terminadas en bismuto también aumentaron la cantidad de fotocorriente generada.

Es importante que las superficies de los electrodos realicen esta química lo más rápido posible. Más tarde, se investigará cómo acelerar la entrega de agujeros al agua. Probablemente, se estudiará cómo los cocatalizadores pueden aplicarse en la parte superior de las superficies ricas en bismuto.

La energía solar más hidrogeno es igual a hidrógeno verde

Una técnica conocida para producir hidrógeno es la electrólisis. Esta emplea una corriente eléctrica para dividir agua en hidrógeno y oxígeno en un aparato llamado un electrolizador.

Cuando empleamos energía renovable en este proceso el hidrógeno producido se denomina hidrógeno verde. Este vector energetico es 100% sostenible. Este proceso aun es más costoso de producir que el hidrógeno tradicional. Pero los proyectos que se están desarrollando sin dudas, reducirán esta barrera

Grandes proyectos de energía solar con hidrógeno

A finales de abril de 2021, puso en marcha la mayor planta de hidrógeno verde del mundo suministrada con energía solar. El proyecto utiliza una planta de energía solar de 200 MW para producir hidrógeno mediante electrólisis. Se prevé que produzca 160 millones de metros cúbicos estándar de hidrógeno al año.

La planta de energía solar con hidrógeno está ubicada en la región noroeste de Ningxia El promotor fue la empresa china Baofeng Energy Group. El proyecto ha necesitado una inversión cercana a los 200 millones de euros y

El proyecto incluye la creación de estaciones de repostaje de hidrógeno y una colaboración con autobuses urbanos propulsados por hidrógeno.

Baofeng Energy es una empresa de extracción de carbón y producción química. De esta forma, se alejar de la energía basada en combustibles fósiles y apuesta por energías sostenibles. La producción de la nueva planta podría reducir el consumo de carbón en 254.000 toneladas por año. Esto implicaría a una reducción de las emisiones de dióxido de carbono (CO2) de 445.000 toneladas, según datos aportados por las autoridades.

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