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» » Imitando la fotosíntesis para conseguir hidrógeno

Es posible obtener hidrógeno a bajo costo para combustible del automóvil o avión mediante la imitación de la fotosíntesis, según señala un químico de materiales de la Universidad Penn State, pero antes deben resolverse una serie de problemas.

"Estábamos enfocando hacia el camino más difícil para producir combustible", comentó Thomas Mallouk, profesor de Química de Materiales y Física en Evan Pugh, "ahora estamos creando un sistema artificial que imita la fotosíntesis, aunque llegará a ser práctico sólo cuando sea tan barato como la gasolina o el combustible a chorro."

Dividir el agua en hidrógeno y oxígeno se puede hacer de diversas formas, aunque la mayoría consumen mucha energía. El hidrógeno resultante, que puede ser usado como combustible para vehículos o convertido en una gran variedad de hidrocarburos, inevitablemente, cuesta más que los actuales combustibles fósiles.

Mientras que algunos investigadores utilizan células solares para producir electricidad o usan el calor solar concentrado para dividir el agua, el proceso de Mallouk utiliza la energía de la luz azul directamente. Hasta el momento, es mucho menos eficiente que otras tecnologías de conversión de energía solar.

La clave para la conversión directa son los electrones. Igual que los tintes que producen de manera natural las plantas, los colorantes inorgánicos absorben la luz solar y la energía y sueltan electrones. Haciendo lo propio, el electrón se recombina creando calor, pero si los electrones pueden ser canalizados, molécula a molécula, lo suficientemente lejos de su origen, estos pueden alcanzar el catalizador y extraer el hidrógeno del oxígeno del agua.

"Actualmente, estamos logrando sólo un 2 a un 3 por ciento de producción de hidrógeno", dijo un asistente de Mallouk en la reunión anual de la American Association for the Advancement of Science. "Para que los sistemas como éste puedan llagar a ser útiles, necesitamos conseguir llegar más cerca del 100 por ciento", agregó.

Pero la recombinación de electrones no es el único problema del proceso. El fin del sistema es la demolición química, lo esto significa que la vida útil del sistema está actualmente limitada a unas pocas horas.

"La parte del oxígeno de la célula hace de un fuerte agente oxidante y las moléculas cercanas pueden ser oxidadas", explicó Mallouk. "La fotosíntesis natural tiene el mismo problema, pero contiene un mecanismo de auto-reparación que, periódicamente, reemplaza el complejo desarrollo del oxígeno y las moléculas proteínicas circundantes."

Hasta ahora, los investigadores no tienen una solución para la oxidación, por lo que los catalizadores y otras moléculas utilizadas en la estructura celular se degradan con el tiempo, lo que limita la vida de la célula de combustible solar.

En la actualidad, están usando solamente la luz azul, pero les gustaría usar todo el espectro visible del sol. También están utilizando componentes caros, un electrodo de óxido de titanio, un electrodo de platino oscuro y un catalizador de óxido de iridio. Sustituirlos se hace necesario, y otros investigadores están trabajando en ello. Un grupo del Massachusetts Institute of Technology está investigando los catalizadores de cobalto y de níquel, y en la Universidad de Yale y la Universidad de Princeton están investigando con manganeso.

"El cobalto y el níquel no funciona tan bien como el iridio, pero tampoco resultan mal", indicó Mallouk. "Y el trabajo con cobalto se está extendiendo también a otras instituciones."

Si bien, la estructura diseñada de la célula de combustible, dirige muchos de los electrones al catalizador, la mayoría de ellos aún se recombinan, cediendo su energía para calentar en lugar de romper los enlaces químicos. Los catalizadores de manganeso en el fotosistema II (el sistema de fotosíntesis de las plantas, las algas y las bacterias fotosintéticas que desarrollan el oxígeno), son tan lentos como el nuestro, añadió Mallouk. El fotosistema II funciona de manera eficiente, debido al uso de una molécula mediadora de electrones que se asegura que siempre hay un electrón disponible para la molécula colorante, una vez que pasa la corriente electrónica a la siguiente molécula de la cadena.

"Podríamos reducir la principal recombinación en este sistema artificial de la misma manera", señaló Mallouk. "La transferencia de electrones desde el mediador colorante correría efectivamente más rápido que la reacción de recombinación."

Actualmente, el sistema utiliza un único fotón cada vez, pero un sistema de dos fotones, aparte de ser más complicado, sería más eficaz usando todo el espectro de la luz solar.

El objetivo principal de Mallouk ahora, es seguir todos los caminos de la energía en su celda, para entender su cinética. Una vez conocido esto, podrá modelar las celdas y ajustar las partes que disminuyen la pérdida de energía y aumenten la eficiencia.

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Editor del blog Pedro Donaire

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