Recoger más energía solar con supercristales
Un impulso a la producción de hidrógeno más ecológico
El hidrógeno es un componente básico de la transición energética. Para obtenerlo con ayuda de la energía solar, investigadores de la LMU han desarrollado nuevas nanoestructuras de alto rendimiento. El material ostenta el récord mundial de producción ecológica de hidrógeno con luz solar.
Cuando Emiliano Cortés sale a la caza de la luz solar, no utiliza espejos gigantescos ni parques solares en expansión. Al contrario, el profesor de física experimental y conversión de energía de la LMU se sumerge en el nanocosmos. "Donde las partículas de alta energía de la luz solar, los fotones, se encuentran con las estructuras atómicas es donde empieza nuestra investigación", dice Cortés. "Trabajamos en soluciones materiales para captar y utilizar la energía solar de forma más eficiente". Sus hallazgos tienen un gran potencial, ya que permiten crear nuevas células solares y fotocatalizadores. La industria tiene grandes esperanzas puestas en estos últimos porque pueden hacer que la energía luminosa sea accesible para las reacciones químicas, evitando la necesidad de generar electricidad. Pero el uso de la luz solar plantea un gran reto, al que también tienen que enfrentarse las células solares, según sabe Cortés: "La luz solar llega a la Tierra 'diluida', por lo que la energía por superficie es comparativamente baja". Los paneles solares lo compensan cubriendo grandes superficies.
Cortés, sin embargo, está enfocando el problema desde la otra dirección, por así decirlo: Con su equipo del Nano-Instituto de la LMU, financiado, entre otros, por el cluster de excelencia e-conversion, Solar Technologies go Hybrid (una iniciativa del Bayerisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst) y el Consejo Europeo de Investigación, está desarrollando las llamadas nanoestructuras plasmónicas que pueden utilizarse para concentrar la energía solar. En una publicación reciente en la revista Nature Catalysis, Cortés, junto con el Dr. Matías Herran, ahora en el Instituto Fritz Haber de Berlín, y socios colaboradores de la Universidad Libre de Berlín y la Universidad de Hamburgo, presentan un supercristal bidimensional que genera hidrógeno a partir de ácido fórmico con ayuda de la luz solar. "El material es tan excepcional, de hecho, que ostenta el récord mundial de producción de hidrógeno con luz solar", señala Cortés. Se trata de una buena noticia para la producción tanto de fotocatalizadores como de hidrógeno como vector energético, ya que desempeñan un papel importante en el éxito de la transición energética.
Concentrar la energía solar con imanes en miniatura
Para su supercristal, Cortés y Herrán utilizan dos metales diferentes en formato de nanoescala. "Primero creamos partículas en el rango de 10-200 nanómetros a partir de un metal plasmónico, que en nuestro caso es el oro", explica Herrán. "A esta escala, se produce un fenómeno especial con los metales plasmónicos, que también incluyen la plata, el cobre, el aluminio y el magnesio: la luz visible interactúa muy fuertemente con los electrones del metal, haciendo que oscilen de forma resonante". Esto significa que los electrones se mueven colectivamente con gran rapidez de un lado a otro de la nanopartícula, creando una especie de miniimán. Los expertos lo denominan momento dipolar. "Para la luz incidente, se trata de un cambio fuerte, de modo que posteriormente interactúa con mucha más fuerza con la nanopartícula metálica", explica Cortés. "Análogamente, se puede pensar en el proceso como una superlente que concentra la energía. Nuestros nanomateriales hacen eso pero a escala molecular". Esto permite a las nanopartículas captar más luz solar y convertirla en electrones de muy alta energía. Éstos, a su vez, ayudan a impulsar las reacciones químicas.
Los nanopuntos calientes desatan el poder catalítico
Pero, ¿cómo se puede aprovechar esta energía? Para ello, los científicos de la LMU colaboraron con investigadores de la Universidad de Hamburgo. Dispusieron partículas de oro de forma ordenada sobre una superficie según el principio de autoorganización. Las partículas deben estar muy cerca, pero sin tocarse, para maximizar las interacciones luz-materia. En colaboración con un equipo de investigación de la Freie Universität de Berlín, que estudió las propiedades ópticas del material, los investigadores de la LMU descubrieron que la absorción de luz aumentaba varias veces. "Las matrices de nanopartículas de oro enfocan la luz entrante de forma extremadamente eficaz, produciendo campos eléctricos muy localizados y potentes, los llamados hotspots", explica Herrán. Éstos se forman entre las partículas de oro, lo que dio a Cortés y Herrán la idea de colocar nanopartículas de platino, un material catalizador clásico y potente, justo en los intersticios. El equipo de investigación de Hamburgo volvió a hacerlo. "El platino no es el material preferido para la fotocatálisis porque absorbe mal la luz solar. Sin embargo, podemos forzarlo en puntos calientes para mejorar esta absorción, que de otro modo sería pobre, y potenciar reacciones químicas con la energía luminosa. En nuestro caso, la reacción convierte el ácido fórmico en hidrógeno", explica Herrán. Con una tasa de producción de hidrógeno a partir de ácido fórmico de 139 milimoles por hora y por gramo de catalizador, el material fotocatalítico ostenta actualmente el récord mundial de producción de H2 con luz solar.
Un impulso para la producción de hidrógeno más ecológico
En la actualidad, el hidrógeno se produce principalmente a partir de combustibles fósiles, sobre todo de gas natural. Para pasar a una producción más sostenible, equipos de investigación de todo el mundo trabajan en tecnologías que utilizan materias primas alternativas, como el ácido fórmico, el amoníaco y el agua. También se está trabajando en el desarrollo de reactores fotocatalíticos aptos para la producción a gran escala. "Las soluciones materiales inteligentes como la nuestra son un elemento fundamental para el éxito de la tecnología", afirman los dos investigadores. "Combinando metales plasmónicos y catalíticos, estamos avanzando en el desarrollo de potentes fotocatalizadores para aplicaciones industriales. Es una nueva forma de utilizar la luz solar que ofrece potencial para otras reacciones, como la conversión deCO2 en sustancias aprovechables", explican Cortés y Herrán. Los dos investigadores ya han patentado el desarrollo de su material.
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