Energía renovable mediante fotoelectroquímica
Una nueva configuración multimodal determina los cambios estructurales que afectan al material PEC en condiciones de funcionamiento realistas
La fotoelectroquímica (PEC) encierra el potencial de convertir energías renovables como la luz solar en combustibles verdes útiles. Sin embargo, la mayoría de los materiales PEC conocidos adolecen de problemas de inestabilidad difíciles de detectar y que provocan una disminución de su rendimiento en funcionamiento continuo. Un equipo de investigadores de la Universidad de Hamburgo, el DESY y la LMU de Múnich ha desarrollado, en el marco del proyecto LUCENT del BMBF, una nueva configuración multimodal que determina los cambios estructurales que afectan al material PEC en condiciones de funcionamiento realistas. Los investigadores han publicado sus resultados en el número actual de la revista "Angewandte Chemie International Edition".
Una célula fotoelectroquímica construida a medida permite investigar la estructura de un material PEC activo con un haz de rayos X de alta energía.
Davide Derelli
no de los retos más acuciantes a los que se enfrenta la sociedad moderna es la transición de los combustibles fósiles a alternativas verdes y renovables. Mediante la división fotoelectroquímica del agua, la energía solar puede utilizarse para convertir el agua directamente en sus dos componentes, oxígeno e hidrógeno. El hidrógeno tiene un gran valor, ya que representa un componente básico común para la producción industrial de muchos compuestos químicos. Además, el hidrógeno puede almacenarse, transportarse y quemarse a demanda como combustible ecológico que produce calor y un producto residual totalmente inocuo: el agua. Sin embargo, por el momento ningún material PEC ha conseguido trasladarse del laboratorio a un dispositivo que funcione en el mundo real.
Una de las principales razones del lento auge de la tecnología fotoelectroquímica eficiente es su escasa estabilidad en funcionamiento continuo". Las condiciones que permiten que se produzcan procesos fotoelectroquímicos son bastante duras", explica el Dr. Francesco Caddeo, de la Universidad de Hamburgo. "El uso de la radiación solar, la aplicación de voltaje externo y la presencia de iones químicos en el electrolito determinan una rápida degradación de la mayoría de los materiales fotoelectroquímicamente activos con el paso del tiempo. Aunque muchos de estos fenómenos de degradación aún se desconocen en gran medida, desvelarlos constituye un paso esencial hacia el desarrollo de materiales PEC más estables y eficientes."
"Desde una perspectiva química, la división fotoelectroquímica del agua constituye un proceso bastante complejo. Para comprender los distintos fenómenos, es crucial el uso de técnicas complementarias que puedan "ver" el problema desde distintos puntos de vista", explica Dorota Koziej, profesora del Departamento de Física y miembro del Clúster de Excelencia "CUI: Advanced Imaging of Matter" de la Universidad de Hamburgo. "Algunas técnicas, como la espectroscopia, se centran en especies químicas específicas que podrían formarse en la superficie del material o dentro del electrolito. En cambio, la dispersión de rayos X ofrece una perspectiva global de la disposición atómica en el material PEC. La clave está en aprovechar las ventajas de cada análisis para reconstruir el proceso de fotodegradación como si estuviéramos en la escena de un crimen".
Sin embargo, el tiempo necesario para realizar la medición analítica también constituye un factor importante a tener en cuenta. "Cuando empezamos a estudiar las propiedades PEC de las películas de CuBi2O4 nos dimos cuenta enseguida de que se producía un rápido proceso de fotodegradación, que determina una pérdida de alrededor del 90 % de las prestaciones del material en apenas unos minutos de funcionamiento", revela Davide Derelli, de la Universität Hamburg y uno de los científicos principales del estudio. "Por ello, recurrimos al uso de la radiación de rayos X de alto brillo proporcionada por la fuente de radiación de rayos X PETRA III en DESY para recoger patrones de dispersión con alta resolución temporal, lo que permitió seguir de cerca la dinámica del proceso de fotodegradación."
Kilian Frank, de la LMU, explica el experimento: "Cuando los rayos X interactúan con la superficie del material, toda la radiación se dispersa en diferentes ángulos, creando patrones característicos. Con ángulos bajos, los patrones de dispersión contienen información sobre la forma exterior de la película PEC, mientras que con ángulos más altos revelan su disposición atómica. Para recoger ambas informaciones simultáneamente, utilizamos dos detectores diferentes, que proporcionaron una representación excepcionalmente completa de la estructura del material durante el funcionamiento de la PEC".
El profesor Koziej ya mira hacia los próximos retos científicos: "Comprender la degradación de los materiales PEC durante su funcionamiento representa sólo el primer paso. El objetivo es desarrollar nuevas estrategias para aumentar tanto la estabilidad como la eficacia de los dispositivos PEC".
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Publicación original
Davide Derelli, Francesco Caddeo, Kilian Frank, Kilian Krötzsch, Patrick Ewerhardt, Marco Krüger, Sophie Medicus, Lars Klemeyer, Marvin Skiba, Charlotte Ruhmlieb, Olof Gutowski, Ann‐Christin Dippel, Wolfgang J. Parak, Bert Nickel, Dorota Koziej; "Photodegradation of CuBi2O4 Films Evidenced by Fast Formation of Metallic Bi using Operando Surface‐sensitive X‐ray Scattering**"; Angewandte Chemie International Edition, 2023-9-18
"Dorota Koziej"; Angewandte Chemie International Edition, 2023-9-28
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