Nuevos materiales convertirían el agua en el combustible del mañana

Investigadores del Laboratorio Nacional de Caltech y Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han duplicado prácticamente en dos años el número de materiales que se sabe tienen potencial de uso en combustibles solares. El artículo al respecto aparece publicado en la más reciente edición de Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ello, gracias a un proceso que promete acelerar el descubrimiento de combustibles solares comercialmente viables que dejen a los combustibles fósiles en el pasado.

Los combustibles solares tienen como componentes tan solo la luz solar, el agua y el dióxido de carbono (CO2). Los investigadores están explorando sus diversas posibilidades, desde el gas hidrógeno hasta los hidrocarburos líquidos, todos ellos mediante la división del agua.

Cada molécula de agua está compuesta por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. En algunos combustibles en desarrollo, estos se extraen y luego se reúnen para crear hidrógeno en estado gaseoso, altamente inflamable, o se combinan con CO2 para crear combustibles de hidrocarburos.

La búsqueda de estos combustibles pasa por hallar el catalizador adecuado para que los rayos solares descompongan las moléculas de agua de esta manera.

La alternativa más popular en la actualidad son los fotoanodos, capaces de dividir el agua usando la luz visible como una fuente de energía, constituyendo una tecnología altamente replicable y relativamente económica. Durante las últimas cuatro décadas, los investigadores identificaron 16 de estos materiales. 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.

"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.

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, exploraron 174 vanadatos del metal, compuestos que contienen los elementos vanadio y oxígeno junto con un 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.