En las últimas décadas, los combustibles fósiles se han convertido en la columna vertebral de las industrias en todo el mundo. También han sido la principal causa del cambio climático provocado por el hombre. Afortunadamente, las cosas están empezando a cambiar, ya que los combustibles fósiles están en declive gracias al aumento de las fuentes de energías renovables.
Una fuente de energía alternativa con gran potencial es la energía solar. Una variante de la energía solar es el combustible solar, que se produce mediante el uso de la luz solar para convertir el agua o dióxido de carbono en sustancias químicas combustibles. Debido a la abundancia relativa de los componentes del combustible solar, se considera un objetivo deseable para la investigación de energías limpias. Sin embargo, estas reacciones, como la producción de hidrógeno por la división del agua, no son posibles mediante el uso de la luz solar. Son necesarios materiales que faciliten eficazmente el proceso.
Los científicos han estado trabajando en la creación de combustibles solares prácticos mediante el desarrollo de materiales de bajo coste y eficientes para servir como fotoánodos. Los fotoánodos son similares a los ánodos en una batería y activan la producción de combustible solar ayudando al flujo de electrones durante el proceso. Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y del Instituto Tecnológico de California (Caltech) han duplicado con éxito el número de fotoánodos potenciales en solo dos años.
Ahora, los investigadores liderados por John Gregoire de Caltech y Jeffrey Neaton, del Laboratorio de Berkeley, han desarrollado un método nuevo y rápido para identificar nuevos materiales para usar como fotoánodos y han encontrado 12 candidatos prometedores. Han publicado su investigación en la edición online de las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).
Método de alto rendimiento
Neaton, director de la Molecular Foundry en el Laboratorio de Berkeley, dijo que el estudio ha hecho avanzar este campo de investigación no solo proporcionando un método mejorado para buscar fotoánodos, sino también dando a los investigadores una visión de los nuevos fotoánodos.
«Lo que es particularmente importante en este estudio, que combina la experimentación y la teoría, es que además de identificar varios nuevos compuestos para aplicaciones de combustible solar, también pudimos aprender algo nuevo sobre la estructura electrónica subyacente de los materiales», dijo Neaton En un comunicado de prensa de Caltech.
Para descubrir estos nuevos fotoánodos, el equipo combinó enfoques computacionales y experimentales. Se extrajo una base de datos del Materials Project para compuestos potencialmente útiles. Se realizaron cientos de cálculos teóricos utilizando recursos computacionales del el Centro Nacional de Investigación Científica de la Energía (NERSC), junto con el software y la experiencia de la Molecular Foundry. Una vez que se identificaron los mejores candidatos para la actividad del fotoánodo, era hora de probar esos materiales en el laboratorio.
Los materiales se ensayaron simultáneamente para determinar la actividad del ánodo bajo diferentes condiciones usando un experimento de alto rendimiento. Esta fue la primera vez que se llevaban a cabo este tipo de experimentos, según Gregoire.
«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», dijo Gregoire en el comunicado de prensa.
Encontraron que los compuestos con el vanadio, el oxígeno y un tercer elemento tenían la estructura electrónica altamente compatible que los hizo únicos y favorables para la oxidación del agua.
«Es importante destacar que hemos sido capaces de explicar el origen de su afinidad, e identificar varios prometedores vanadatos compuestos por fotoánodes», dijo Neaton en el comunicado de prensa.
Esta investigación nos ha proporcionado más formas de hacer uso del agua -uno de los recursos más abundantes del mundo- como fuente de energía. Avances como este nos permiten desarrollar energías renovables de manera más económica y eficiente. Los gobiernos, los inversores y los individuos tendrán más razones para abandonar los combustibles fósiles como una cosa del pasado.
