Las películas de óxido de níquel mejoran la separación del agua por energía solar

Las películas de óxido de níquel mejoran la separación del agua por energía solar

Lo crea o no, una película delgada de este material puede ser transparente.

Lo crea o no, una película delgada de este material puede ser transparente.

Como sociedad, hemos visto un tremendo aumento en las tecnologías sostenibles durante la última década. Desde el reciclaje hasta los LED, los edificios con certificación LEED y los automóviles que funcionan con baterías, se han logrado avances claros. Hoy en día, los científicos continúan ampliando los límites de la tecnología sostenible, dando forma a las políticas públicas y al futuro.

Un área de investigación activa es la de los combustibles solares sostenibles. Los investigadores están desarrollando sistemas fotosintéticos artificiales diseñados para replicar el proceso natural de la fotosíntesis, que aprovecha la energía solar para convertir el agua y el dióxido de carbono en oxígeno y azúcares. Estos sistemas, tanto naturales como artificiales, implican la conversión química del agua en oxígeno gaseoso e hidrógeno gaseoso.

Por lo general, nuestros procesos de división del agua se basan en la electrólisis, es decir, pasar electricidad a través del agua para iniciar una reacción que la divida. Para lograr este proceso utilizando energía solar, los sistemas requieren electrodos estables que absorban la luz. Desafortunadamente, las condiciones de solución requeridas para realizar la electrólisis del agua a menudo causan la degradación de los electrodos, lo que ha obstaculizado el progreso hacia el desarrollo de sistemas fotosintéticos artificiales eficientes y estables.

Aunque los científicos han investigado materiales para superar estas limitaciones, muchos han mostrado eficiencias bajas y/o estabilidad limitada. Recientemente, un equipo de Caltech desarrolló películas de óxido de níquel pulverizadas que se pueden usar para recubrir electrodos, lo que permite la oxidación estable del agua por energía solar. Para fabricar estas películas, se depositó níquel sobre sustratos mediante pulverización catódica reactiva a alto vacío.

Estas películas son ópticamente transparentes y antirreflectantes, lo que significa que los electrodos subyacentes aún podrían recibir luz solar. También son conductores, estables y altamente catalíticamente activos, lo que los convierte en un recubrimiento prometedor para electrodos activados por luz.

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Dado que los electrocatalizadores metálicos generalmente absorben y/o reflejan la luz solar, generalmente existe un compromiso entre la máxima actividad catalítica y el mantenimiento de la transparencia óptica y la baja reflectancia. Los investigadores de Caltech descubrieron que el nivel de oxígeno y la temperatura a la que se produce el proceso de pulverización influían en la conductividad y la actividad catalítica del revestimiento. Después de una mayor caracterización de las películas de óxido de níquel, optaron por utilizar capas de óxido de níquel de 75 nm de espesor para optimizar las propiedades antirreflectantes en el aire.

Después de caracterizar y, en última instancia, optimizar el grosor del recubrimiento, probaron la eficacia de estos recubrimientos en varios fotoelectrodos que, por lo general, presentaban una oxidación superficial rápida durante el uso, lo que provocaba la degradación del electrodo. El equipo descubrió que pasar una corriente a través de los electrodos desnudos no producía cantidades significativas de oxígeno y solo producía oxidación, lo que destruye las películas de manera similar a la oxidación del hierro. En cambio, cuando estos fotoelectrodos se recubrieron con una película de óxido de níquel, no solo produjeron oxígeno, sino que también mostraron estabilidad en condiciones de oxidación del agua con luz solar artificial durante más de 100 horas.

Los investigadores también encontraron que el potencial eléctrico de estos sistemas de fotoelectrodos se mantuvo sin cambios durante el período de 100 horas cuando se expusieron a hidróxido de potasio acuoso 1,0 M y luz solar simulada; mostraron una disminución en el potencial eléctrico después de 1.000 horas de funcionamiento continuo. Otros fotoelectrodos basados ​​en silicio con una fina capa (2 nm) de níquel metálico mostraron fuertes signos de oxidación en los cinco ciclos experimentales que simulaban un ciclo de carga y descarga; la oxidación del silicio ha destruido completamente estos fotoelectrodos.

Estos resultados sugieren que estos recubrimientos de óxido de níquel pueden ser la solución a los problemas de estabilidad de los fotoelectrodos utilizados para sistemas fotosintéticos artificiales. La mayor producción de oxígeno y la mayor estabilidad de los fotoelectrodos atribuidos a estos recubrimientos sugieren que los recubrimientos de óxido de níquel podrían permitir que estos sistemas se conviertan en un verdadero competidor en la carrera por soluciones de energía sostenible.

PNAS2015. DOI: 10.1073/pnas.1423034112 (Acerca de los DOI).

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