BOSQUES ARTIFICIALES PARA DIVIDIR EL AGUA SOLAR.

Los investigadores De Berkeley Lab Dan la Primera Noticia sobre Un Nanosistema completamente integrado a la Fotosíntesis Artificial.
16 de mayo 2013.

Por: Lynn Yarris.

A raíz de la noticia preocupante que el dióxido de carbono atmosférico se encuentra ahora en su nivel más alto en al menos tres millones de años, se ha logrado un importante avance en la carrera para desarrollar fuentes de energía renovables sin emisiones de carbono. Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) han informado del primer nanosistema totalmente integrado para la fotosíntesis artificial. Mientras la "hoja artificial" es el término popular para tal sistema, la clave de este éxito fue un "bosque artificial."

"Similares a los cloroplastos en las plantas verdes que llevan a cabo la fotosíntesis, nuestro sistema fotosintético artificial se compone de dos semiconductores absorbentes de luz, una capa interfacial para el transporte de carga, y espacialmente separados por co-catalizadores," dice Peidong Yang, un químico con Materiales de la División de Ciencias de Berkeley Lab, quien dirigió esta investigación. "Para facilitar la división del agua solar en nuestro sistema, se sintetizó en forma de árbol heteroestructuras de nanocables, que consta de los troncos y ramas de silicio de óxido de titanio. Visualmente, las matrices de estas nanoestructuras se parecen mucho a un bosque artificial ".

El esquema muestra nanocables de TiO2 (azul) obtenidos en la mitad superior de un nanocable de Si (gris) y las dos regiones absorbentes diferentes del espectro solar. Las inserciones se muestran pares de orificios de electrones fotoexcitados separados por la interfaz del electrolito semiconductor para llevar a cabo la disociación del agua con la ayuda de co-catalizadores (puntos amarillos y gris).

Yang, es el autor principal de un artículo que describe esta investigación en la revista Nano Letters. El documento se titula "Un Nanosistema completamente integrado de nanocables semiconductores para Dividir agua solar Directamente ". Coautores son Chong Liu, Jinyao Tang Hao Ming Chen y Liu Bin.
Las tecnologías solares son la solución ideal para la energía renovable de carbono-neutral, hay suficiente energía en una hora en el valor mundial de luz solar para satisfacer todas las necesidades humanas de un año. La fotosíntesis artificial, en la que la energía solar se convierte directamente en combustibles químicos, es considerada como una de las más prometedoras de las tecnologías solares. Un reto importante para la fotosíntesis artificial es producir suficiente hidrógeno barato para competir con los combustibles fósiles. Responder a este reto requiere un sistema integrado que puede absorber de manera eficiente la luz solar y producir portadores de carga para conducir la reducción del agua extraída y las semirreacciones de oxidación.

Peidong Yang (izquierda), Hao Ming Chen y Liu Chong (guantera) han desarrollado el primer sistema de fotosíntesis artificial a nanoescala totalmente integrado. (Foto por Roy Kaltschmidt)

"En la fotosíntesis natural la energía de la luz solar absorbida produce portadores de carga energizadas que ejecutan reacciones químicas en regiones separadas del cloroplasto", dice Yang. "Hemos integrado nuestra heteroestructura a nanoescala de nanocables en un sistema funcional que imita la integración en los cloroplastos y proporciona un modelo conceptual para una mejor eficiencia de conversión a combustible solar en el futuro."
Cuando la luz solar es absorbida por las moléculas del pigmento en un cloroplasto, se genera un electrón energizado que se mueve de molécula a molécula a través de una cadena de transporte hasta que en última instancia se impulsa a la conversión de dióxido de carbono en azúcares de carbohidratos. Esta cadena de transporte de electrones se llama un "esquema Z-" debido a que el patrón de movimiento se asemeja a la letra Z en su lado. Yang y sus colegas también utilizan un esquema Z en su sistema sólo se despliegan dos semiconductores abundantes y estables en la tierra - de silicio y óxido de titanio - cargados con co-catalizadores y con un contacto óhmico insertado entre ellos. El silicio se utilizó para el fotocátodo de generación de hidrógeno y óxido de titanio para el fotoánodo que genera oxígeno. La arquitectura de árbol se utiliza para maximizar el rendimiento del sistema. Como los árboles en un bosque real, las matrices densas de árboles artificiales de nanocables suprimen la reflexión de la luz del sol y proporcionan una mayor superficie para las reacciones que producen combustible.

"Una vez dada la iluminación pares de orificios de electrones por foto excitación, se generan por el silicio y el óxido de titanio, que absorben diferentes regiones del espectro solar," dice Yang. "Los electrones foto-generados en los nanocables de silicio migran a la superficie y reducen protones para generar hidrógeno, mientras que los orificios foto-generados en los nanocables de óxido de titanio oxidan agua para evolucionar a moléculas de oxígeno. Los portadores mayoritarios de carga tanto de los semiconductores se recombinan en el contacto óhmico, completando el relevo del esquema Z, similar a la fotosíntesis natural. "

Las matrices de nanocables en forma de árboles consistentes en troncos de Si y ramas de TiO2 facilitan división del agua solar en un sistema de fotosíntesis artificial totalmente integrado.

Bajo la luz solar simulada, este sistema de fotosíntesis artificial basada en en nanocables integrados para lograr un 0,12 por ciento en la eficiencia de conversión acombustible solar. Aunque comparable a algunas eficiencias de conversión fotosintética natural , esta tasa tendrá que ser mejorado sustancialmente para uso comercial. Sin embargo, el diseño modular de este sistema permite a los componentes individuales recién descubiertos a ser fácilmente incorporados para mejorar su rendimiento. Por ejemplo, señala Yang que la fotocorriente producida por los cátodos de silicio del sistema y los ánodos de óxido de titanio no coinciden, y que la producción de fotocorriente menor de los ánodos está limitando el rendimiento general del sistema.

"Tenemos algunas buenas ideas para desarrollar fotoanodes estables con un mejor rendimiento que el óxido de titanio", dice Yang. "Estamos seguros de que vamos a ser capaces de sustituir los ánodos de óxido de titanio en un futuro próximo y empujar la eficiencia de conversión de energía hasta en porcentajes de un solo dígito."

Fuente: Lawrence Berkeley National Laboratory.