Un método económico para generar combustible limpio es el equivalente moderno de la piedra filosofal. Una idea convincente es utilizar la energía solar para dividir el agua en su hidrógeno y oxígeno constituyentes y luego cosechar el hidrógeno para usarlo como combustible. Pero dividir el aguaresulta eficiente no ser tan fácil
Ahora, dos científicos del Instituto de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago IME y la Universidad de Wisconsin han hecho una contribución importante al esfuerzo, mejorando la eficiencia de los procesos clave y ofreciendo nuevas herramientas conceptuales que pueden aplicarse de manera más amplia enla búsqueda de dividir el agua con la luz solar. Sus resultados aparecieron en línea el 26 de octubre en Comunicaciones de la naturaleza .
Kyoung-Shin Choi es profesor de química en la Universidad de Wisconsin, Madison, y experimentalista. Giulia Galli es profesora de estructura electrónica y simulaciones de la familia Liew en el IME y teórica. Trabajando juntos, los dos encontraron la manera deaumentar la eficiencia con la que un electrodo utilizado para dividir el agua absorbe fotones solares y al mismo tiempo mejora el flujo de electrones de un electrodo a otro.
Las simulaciones les permitieron comprender lo que estaba sucediendo a nivel atómico. "Nuestro estudio alentará a los investigadores en el campo a desarrollar formas de mejorar múltiples procesos usando un solo tratamiento", dijo Choi. "Entonces no se trata solo de lograr una mayor eficiencia,se trata de proporcionar una estrategia para el campo "
electrones excitados
Al construir un electrodo para capturar el sol, los científicos apuntan a utilizar la mayor cantidad de espectro solar posible para excitar los electrones en el electrodo para moverse de un estado a otro, donde estarán disponibles para la reacción de división del agua. Igualmente importante, pero un problema completamente diferente, los electrones necesitan moverse fácilmente del electrodo a un contraelectrodo, creando un flujo de corriente. Hasta ahora, los científicos han tenido que usar manipulaciones separadas para aumentar la absorción de fotones y el movimiento de electrones en los materiales.están probando
Choi y el investigador postdoctoral Tae Woo Kim descubrieron que si calentaban un electrodo hecho del compuesto semiconductor de vanadato de bismuto a 350 grados Celsius mientras fluía gas nitrógeno sobre él, parte del nitrógeno se incorporaba al compuesto.
El resultado fue un aumento notable tanto en la absorción de fotones como en el transporte de electrones. Lo que no estaba claro era exactamente cómo el nitrógeno estaba facilitando los cambios observados. Entonces Choi recurrió a Galli, un teórico, para ver si sus simulaciones del sistema podían proporcionarcomprensión de lo que estaba pasando.
papel del nitrógeno
Galli y el ex estudiante de posgrado Yuan Ping, ahora un post-doctorado en Caltech, descubrieron que el nitrógeno estaba actuando en el electrodo de varias maneras. Se sabe que calentar la muestra mientras fluye gas nitrógeno extrae átomos de oxígeno del vanadato de bismuto, creando"defectos". El equipo de Galli descubrió que estos defectos mejoran el transporte de electrones. Pero, lo que es más interesante, descubrieron que el nitrógeno que se había incorporado al compuesto aumentaba el transporte de electrones independientemente de los defectos.
Finalmente, ese nitrógeno redujo la energía necesaria para impulsar los electrones al estado en el que estaban disponibles para dividir el agua. Esto significaba que el electrodo podía usar más energía solar ". Ahora entendemos lo que sucede en el microscopionivel ", dijo Galli." Para que las personas puedan usar estos conceptos, la incorporación de un nuevo elemento y nuevos defectos en el material, en otros sistemas para tratar de mejorar su eficiencia. Estos son conceptos muy generales que también podrían aplicarse a otrosmateriales "
Es axiomático en la ciencia que los experimentadores y los teóricos se necesiten mutuamente. Pero en realidad no es tan común para ellos colaborar desde el comienzo de un proyecto como lo han hecho los equipos de Galli y Choi. Los dos se unieron a través de una iniciativa de la Fundación Nacional de Ciencias llamadaEl Centro para la Innovación Química - Solar, dirigido por el Prof. Harry B. Gray de Caltech. El centro fomenta las colaboraciones científicas destinadas a crear un dispositivo para dividir el agua.
"Venimos de campos muy diferentes", dijo Galli. "Pero dentro de este proyecto teníamos un enfoque común y un problema común que resolver. También aprendimos mucho unos de otros. La colaboración ha sido simplemente maravillosa".
Choi estuvo de acuerdo. "Cuando la teoría y el experimento se unen, la mejora del rendimiento y la comprensión a nivel atómico de lo que está sucediendo se pueden lograr simultáneamente, dice." Ese es el resultado ideal ".
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Materiales proporcionado por Universidad de Chicago . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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