La célula solar parte directo el agua para el hidrógeno

Los árboles y las algas de las plantas la hacen. Incluso algunas bacterias y musgo la hacen, pero los científicos han tenido métodos que se convertían de un rato difícil para dar vuelta a luz del sol en el combustible útil. Ahora, los investigadores del estado de Penn tienen un dispositivo del prueba-de-concepto que pueda partir el agua y producir el hidrógeno recuperable.

“Éste es un sistema del prueba-de-concepto que es muy ineficaz. “Si esto podría ser observada, la fotodescomposición del agua proporcionaría una fuente limpia de combustible del hidrógeno del agua y de la luz del sol.”

Aunque las células solares puedan ahora producir electricidad de luz visible en las eficacias del mayor de 10 por ciento, las células solares del hidrógeno - como ésos desarrollados por Craig Grimes, profesor de la ingeniería eléctrica en el estado de Penn - han sido limitadas por la respuesta espectral pobre de los semiconductores usados. En principio, los amortiguadores ligeros moleculares pueden utilizar más del espectro visible en un proceso que sea mimético de fotosíntesis natural. La fotosíntesis utiliza la clorofila y otras moléculas de tinte para absorber la luz visible.

Hasta ahora, los experimentos con las moléculas de tinte naturales y sintéticas han producido el hidrógeno o los productos químicos el oxígeno-utilizar consumidos en el proceso, pero todavía no han creado un proceso en curso, continuo. Esos procesos también costarían generalmente más que el agua que parte con electricidad. Una razón de la dificultad es que producido una vez, el hidrógeno y el oxígeno recombinan fácilmente. Los catalizadores que se han utilizado para estudiar las mitad-reacciones del oxígeno y del hidrógeno son también buenos catalizadores para la reacción de la recombinación.

Mallouk y el W. Justin Youngblood, compañero postdoctoral en química, junto con colaboradores en la universidad de estado de Arizona, desarrollaron un sistema del catalizador que, combinado con un tinte, puede mímico los procesos de la transferencia del electrón y de la oxidación del agua que ocurren en plantas durante fotosíntesis. Divulgaron los resultados de sus experimentos en la reunión anual de la asociación americana para el adelanto de la ciencia hoy (17 de febrero) en Boston.

La llave a su proceso es un complejo minúsculo de moléculas con un catalizador de centro de las moléculas del óxido del iridio rodeadas por las moléculas de tinte naranja-rojas. Estos racimos son cerca de 2 nanómetros de diámetro con los componentes del catalizador y del tinte aproximadamente los mismos tamaños. Los investigadores eligieron el tinte naranja-rojo porque absorbe luz del sol en la gama azul, que tiene la mayoría de la energía. El tinte usado también se ha estudiado a fondo en experimentos artificiales anteriores de la fotosíntesis.

Espacian las moléculas de tinte alrededor de la base de centro que deja la superficie en el catalizador para la reacción. Cuando la luz visible pega el tinte, la energía excita los electrones en el tinte, que, con la ayuda del catalizador, puede partir la molécula de agua, creando el oxígeno libre.

“Cada átomo superficial del iridio puede completar un ciclo con la reacción de la oxidación del agua cerca de 50 veces por segundo,” dice Mallouk. “Que es cerca de tres órdenes de la magnitud más rápidamente que los mejores catalizadores sintéticos siguientes, y comparables al índice de volumen de ventas del fotosistema II en fotosíntesis de la planta verde.” El fotosistema II es el complejo de la proteína en plantas que oxida el agua y comienza el proceso fotosintético.

Los investigadores impregnaron un electrodo del dióxido titanium con el complejo del catalizador para el ánodo y utilizaron un cátodo del platino. Sumergieron los electrodos en una solución de sal, pero separado les de uno a para evitar el problema de la recombinación del hidrógeno y del oxígeno. Brillo ligero de la necesidad solamente en el ánodo teñir-sensibilizado del dióxido titanium para que el sistema trabaje. Este tipo de célula es similar a los que produzcan electricidad, pero la adición del catalizador permite que la reacción parta el agua en sus gases componentes.

El partir del agua requiere 1.23 voltios, y la configuración experimental actual no puede alcanzar absolutamente que llano los investigadores agregan tan cerca de 0.3 voltios de una fuente exterior. Su sistema actual alcanza una eficacia del cerca de 0.3 por ciento.

La “naturaleza es el solamente 1 a 3 por ciento eficiente con fotosíntesis,” dice Mallouk. “Que es porqué usted no puede esperar que los recortes de su césped accionen su casa y su coche. Quisiéramos no tener que utilizar toda la área de tierra que se utiliza para que la agricultura consiga la energía que necesitamos de las células solares.”

Los investigadores tienen una variedad de acercamientos para mejorar el proceso. Planean investigar la mejora de la eficacia del tinte, la mejora del catalizador y el ajuste de la geometría general del sistema. Algo que complejos esféricos del catalizador del tinte, una diversa geometría que guarda más del área que reacciona disponible para el sol y los reactivo pudo ser mejor. Las mejoras a la geometría total pueden también ayudar.

“En cada rama en el proceso, hay una opción,” dice Mallouk. “La pregunta es cómo conseguir los electrones para permanecer en la trayectoria apropiada y, por ejemplo, para no lanzar su energía y para no ir abajo al estado de tierra sin hacer ningunos trabajo.”

La distancia entre las moléculas es importante en controlar el índice de transferencia del electrón y conseguir los electrones donde necesitan ir. Acortando algunas de las distancias y haciendo otras más largas, más de los electrones tomarían la trayectoria apropiada y pondrían su energía para trabajar el agua que parte e hidrógeno el producir.

El Ministerio de los E.E.U.U. de Energía apoyó esta investigación.