Un laboratorio de investigación de la Universidad de Stanford ha desarrollado nuevas tecnologías para abordar dos de los mayores desafíos energéticos del mundo: combustible limpio para el transporte y almacenamiento de energía a escala de red.
Los investigadores describieron sus hallazgos en dos estudios publicados este mes en las revistas Avances científicos y Comunicaciones de la naturaleza .
combustible de hidrógeno
El combustible de hidrógeno se ha promocionado durante mucho tiempo como una alternativa limpia a la gasolina. Los fabricantes de automóviles comenzaron a ofrecer automóviles impulsados por hidrógeno a los consumidores estadounidenses el año pasado, pero solo unos pocos se han vendido, principalmente porque las estaciones de reabastecimiento de hidrógeno son pocas y distantes.
"Millones de automóviles podrían funcionar con combustible de hidrógeno limpio si fuera barato y ampliamente disponible", dijo Yi Cui, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford.
A diferencia de los vehículos que funcionan con gasolina, que emiten dióxido de carbono CO 2 ,, los autos de hidrógeno están libres de emisiones.Sin embargo, fabricar combustible de hidrógeno no está exento de emisiones: hoy en día, fabricar la mayor parte del combustible de hidrógeno involucra gas natural en un proceso que libera CO 2 a la atmósfera
Para abordar el problema, Cui y sus colegas se han centrado en la división del agua fotovoltaica. Esta tecnología emergente consiste en un electrodo alimentado por energía solar sumergido en agua. Cuando la luz solar golpea el electrodo, genera una corriente eléctrica que divide el agua en su componentepartes, hidrógeno y oxígeno.
Ha sido un desafío encontrar una forma asequible de producir hidrógeno limpio a partir del agua. Los electrodos solares convencionales hechos de silicio se corroen rápidamente cuando se exponen al oxígeno, un subproducto clave de la división del agua. Varios equipos de investigación han reducido la corrosión al recubrir el silicio con iridio yotros metales preciosos
Escribiendo en la edición del 17 de junio de Avances científicos , Cui y sus colegas presentaron un nuevo enfoque utilizando vanadato de bismuto, un compuesto económico que absorbe la luz solar y genera pequeñas cantidades de electricidad.
"El vanadato de bismuto ha sido ampliamente considerado como un material prometedor para la división de agua fotoelectroquímica, en parte debido a su bajo costo y alta estabilidad contra la corrosión", dijo Cui, profesor asociado de ciencia de fotones en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC. "Sin embargo, el rendimiento de este material permanece muy por debajo de su eficiencia teórica de conversión de solar a hidrógeno "
El vanadato de bismuto absorbe la luz pero es un mal conductor de la electricidad. Para transportar una corriente, una célula solar hecha de vanadato de bismuto debe cortarse muy delgada, 200 nanómetros o menos, haciéndola prácticamente transparente. Como resultado, luz visible que podríaser utilizado para generar electricidad simplemente pasa a través de la celda.
Para capturar la luz solar antes de que se escape, el equipo de Cui recurrió a la nanotecnología. Los investigadores crearon conjuntos microscópicos que contenían miles de nanoconos de silicio, cada uno de unos 600 nanómetros de alto.
"Las estructuras de nanocone han mostrado una prometedora capacidad de captura de luz en un amplio rango de longitudes de onda", explicó Cui. "Cada cono tiene una forma óptima para capturar la luz solar que de otro modo pasaría a través de la delgada célula solar".
En el experimento, Cui y sus colegas depositaron las matrices de nanoconos en una película delgada de vanadato de bismuto. Ambas capas se colocaron en una célula solar hecha de perovskita, otro material fotovoltaico prometedor.
Cuando se sumergió, el dispositivo en tándem de tres capas comenzó inmediatamente a dividir el agua con una eficiencia de conversión de solar a hidrógeno de 6.2 por ciento, que ya coincidía con la tasa máxima teórica para una célula de vanadato de bismuto.
"La célula solar en tándem continuó generando hidrógeno durante más de 10 horas, una indicación de buena estabilidad", dijo Cui, investigador principal del Instituto de Ciencias de Materiales y Energía de Stanford. "Aunque la eficiencia que demostramos fue de solo 6.2 por ciento,nuestro dispositivo tándem tiene margen para mejoras significativas en el futuro "
batería de zinc recargable
En un segundo estudio publicado en la edición del 6 de junio de Comunicaciones de la naturaleza , Cui y Shougo Higashi, un científico visitante de Toyota Central R&D Labs Inc., propusieron un nuevo diseño de batería que podría ayudar a resolver el problema del almacenamiento de energía a escala de red.
"Los parques solares y eólicos deberían ser capaces de proporcionar energía las 24 horas para la red eléctrica, incluso cuando no haya luz solar o viento", dijo Cui. "Eso requerirá baterías económicas y otras tecnologías de bajo costo lo suficientemente grandes como paraalmacenar excedentes de energía limpia para usar bajo demanda "
En el estudio, Cui, Higashi y sus compañeros de trabajo diseñaron una batería nueva con electrodos de zinc y níquel, metales económicos con el potencial de almacenamiento a escala de red.
Una variedad de baterías de zinc-metal están disponibles comercialmente, pero pocas son recargables, debido a las pequeñas fibras llamadas dendritas que se forman en el electrodo de zinc durante la carga. Estas dendritas pueden crecer hasta que finalmente alcanzan el electrodo de níquel, haciendo que la batería se cortocircuitecircuito y falla.
El equipo de investigación resolvió el problema de la dendrita simplemente rediseñando la batería. En lugar de tener los electrodos de zinc y níquel enfrentados entre sí, como en una batería convencional, los investigadores los separaron con un aislante de plástico y envolvieron un aislante de carbono alrededor de los bordes deel electrodo de zinc
"Con nuestro diseño, los iones de zinc se reducen y se depositan en la superficie posterior expuesta del electrodo de zinc durante la carga", dijo Higashi, autor principal del estudio. "Por lo tanto, incluso si se forman dendritas de zinc, crecerán lejos delelectrodo de níquel y no cortocircuitará la batería "
Para demostrar estabilidad, los investigadores cargaron y descargaron la batería con éxito más de 800 veces sin cortocircuito
"Nuestro diseño es muy simple y podría aplicarse a una amplia gama de baterías de metal", dijo Cui.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stanford . Original escrito por Mark Shwartz. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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