En Reino Unido desarrollan un dispositivo fotoelectroquímico con un 5% de eficiencia en la conversión de energía solar a hidrógeno
Un equipo de investigadores del Imperial College de Londres y de la Universidad Queen Mary de Londres ha desarrollado un método para aprovechar la energía solar para la producción de hidrógeno.
En el artículo de investigación « Oxidación solar mejorada del agua y desdoblamiento del agua sin asistencia mediante capas fotoactivas orgánicas de heterojunción en masa protegidas con grafito », publicado en la revista Nature Energy, los científicos afirmaron que los materiales orgánicos, como los donantes de polímeros y los aceptores no fulerenos, tienen un enorme potencial en dispositivos para la generación directa de hidrógeno solar. Además, destacan que su uso en dispositivos de desdoblamiento del agua solar directo ha sido limitado hasta la fecha debido a su inestabilidad en el agua y a las pérdidas por recombinación en la interfaz con los catalizadores.
Para abordar la inestabilidad de los materiales orgánicos en el agua, el equipo desarrolló una arquitectura de dispositivo multicapa que integraba una capa fotoactiva orgánica de heterojunción a granel con una lámina de grafito autoadhesiva, funcionalizada con un catalizador de oxihidróxido de níquel y hierro abundante en la tierra.
Se descubrió que el grafito no solo protegía la capa fotoactiva de la degradación inducida por el agua, sino que también mantenía una conexión eléctrica entre el catalizador y la capa fotoactiva sin pérdidas.
El nuevo dispositivo, compuesto por ánodos orgánicos totalmente integrados con capas fotoactivas de heterojunción PM6:D18:L8-BO, alcanzó una densidad de fotocorriente superior a 25 mA cm⁻² a más de 1,23 V, en comparación con el electrodo de hidrógeno reversible para la oxidación del agua. El diseño también demostró estabilidad operativa durante días, a diferencia de los diseños anteriores que se degradaban en cuestión de horas.
"Nuestro trabajo demuestra que se puede lograr una división del agua solar estable y de alto rendimiento utilizando materiales orgánicos escalables y de bajo costo", dijo Flurin Eisner, de la Universidad Queen Mary de Londres, quien dirigió el desarrollo de las capas fotoactivas orgánicas durante el proyecto.
“Los materiales orgánicos son altamente adaptables en cuanto a sus propiedades, como la luz que absorben y sus propiedades eléctricas, lo que significa que pueden ser una plataforma extremadamente versátil para construir diversas maneras de convertir la luz solar en combustibles (como el hidrógeno) o incluso sustancias químicas, emulando la fotosíntesis natural de las plantas”, explicó Eisner. “Esto abre nuevas y emocionantes vías para la producción sostenible de combustibles y sustancias químicas”.
El equipo preparó entonces ánodos monolíticos en tándem con capas fotoactivas orgánicas PM6:D18:L8-BO y PTQ10:GS-ISO, capaces de generar hidrógeno a partir de agua y luz sin necesidad de electricidad adicional. El dispositivo alcanzó una eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno del 5 % en una configuración fotoelectroquímica de dos electrodos.
El artículo de investigación señala que este resultado resalta el potencial de integrar capas fotoactivas de heterojunción orgánica a granel para la división del agua solar estable y sin asistencia y "allana el camino hacia la generación de hidrógeno solar eficiente, estable y sin asistencia mediante materiales fotoactivos orgánicos de bajo costo".
Salvador Eslava, académico principal del estudio en el Departamento de Ingeniería Química del Imperial College, afirmó que el resultado marcó un récord en eficiencias de conversión de energía solar a hidrógeno en el rendimiento de dispositivos fotoelectroquímicos orgánicos. «El enfoque aprovecha las ventajas de las heterojunciones orgánicas en masa, que ofrecen impresionantes fotocorrientes, fotovoltajes, abundancia de elementos y facilidad de procesamiento, y las aplica a los electrodos de las celdas fotoelectroquímicas», añadió Eslava.
El equipo ahora planea trabajar en la exploración de mejoras en la estabilidad del material y en la ampliación de la tecnología para uso industrial.
