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Electrolisis solar mejorada

Área: Tecnología — Domingo, 24 de Noviembre de 2013

Un recubrimiento de níquel sobre un electrodo de silicio mejora la durabilidad de un sistema de fotoelectrolisis.

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Uno de los problemas de la energía solar fotovoltaica es que no se produce electricidad por la noche, por lo que deben usarse otras fuentes de energía durante las horas nocturnas. Lo malo es que, precisamente, la demanda de energía a primeras horas de la noche es muy alta.
Esto parece que sí se ha solucionado con la energía termosolar, pues en ese caso se calientan sales que se acumulan durante el día y luego puede convertirse ese calor en electricidad mediante una máquina térmica convencional por la noche.
Pero sería interesante disponer de un sistema más ligero y eficiente. Una idea es la de usar energía solar para efectuar la electrolisis del agua y luego usar una pila de combustible para transformar el hidrógeno y el oxígeno atmosférico en agua y corriente eléctrica. Para este fin se pueden usar células fotovoltaicas convencionales, pero sería más interesante tener un método más directo que no necesitase de un sistema de electrolisis aparte, sino que la división de las moléculas del agua se haga en la misma célula solar mientras que esta esté sumergida en el agua. En ese sistema se emite oxígeno y se almacena hidrógeno producido para su uso posterior. A veces se ha denominado a este tipo de sistemas “fotosíntesis artificial”.
Desde hace tiempo se cuentan con prototipos que hacen esto, pero todos tienen alguna pega. O bien son muy caros o se degradan. Se puede usar el barato silicio directamente sumergido en agua, pero este se corroe en el proceso y al poco tiempo el sistema deja de funcionar.
Ahora unos científicos de la universidad de Stanford han creado un sistema basado en silicio recubierto de una fina capa de níquel que es la vez barato y estable. En 2011 otro grupo de la misma universidad consiguieron un sistema de este tipo recubriendo células de silicio con una capa de dióxido de titanio e iridio. Este sistema produjo hidrógeno durante 8 horas seguidas sin corroerse.
El resultado fue inspirador, pero se necesitan sistemas más estables en el tiempo (8 horas no es nada) y que además no necesiten de elementos como el iridio, que es caro y poco abundante en la corteza terrestre.
El níquel parecía que podía ser un buen sustituto, pues es barato, resistente a la corrosión y abundante. Hongjie Dai y Michael J. Kenney se pusieron manos a la obra y han creado un sistema en el que se recubre un electrodo de silicio con una capa de níquel de 2 nm de grosor. Junto con otro electrodo es sumergido en una disolución de borato de potasio en agua. Cuando la luz incide y se aplica una pequeña corriente de los electrodos parten burbujas de hidrógeno y oxígeno. Comprobaron que el proceso se producía durante 24 horas seguidas sin signos de corrosión, pero esta empezaba a darse a partir de ese punto.
Para mejorar el proceso los investigadores añadieron litio a la disolución y descubrieron que esto dotaba de una mayor resistencia a la corrosión. Ahora se mantenía el proceso durante 80 horas sin signos de corrosión. Curiosamente la adición de litio se ha venido usando en el tratamiento de electrodos de baterías de níquel desde los tiempos de Edison.
El níquel, además de impedir la corrosión, actúa de catalizador en el proceso de división del agua.
Estos investigadores planean ahora cómo seguir mejorando este sistema para aumentar su durabilidad.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original

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5 Comentarios

  1. thetimethespaceandandtheman::

    One question:

    ¿La electrolisis se produce por esa ‘pequeña corriente’ entre los dos electrodos (“Junto con otro electrodo es sumergido en una disolución de …….”), o se produce directamente por los fotones en un solo electrón.

    Es decir, ¿la energía para romper la molécula de H2O, sale de la corriente, o de la luz?.

    Allá por 1984 estuvimos metidos en una subvención , precisamente, para esto, descomposición de la molécula de agua, y paso del hidrógeno a un material qe estaba en un solido, dentro del agua.

    Pero creo recordar (son mas de 30 años ya) que no había dos electrodos, sino uno solo. En aquel trabajo nuestro no había corriente, eran directamente los fotones los que inducían al hidrógeno a soltar el oxigeno, e ir al solido y formar con él un compuesto (Que luego podía usarse para sacar el hidrógeno, pero ese era otro cantar).

    Obviamente, en 1980, una propuesta de esas, viniendo de un catedrático de física (1º curso) de universidad de Madrid, con unos mindunguis de estudiantes de últimos cursos, pues que no, que ni un duro nos dieron (Se pedían del orden de 800.000 pesetas para 1 año).

    Felipito Gonzalez Superprogre-superguay, estaba vendiendo (En justiprecio, por supuesto,:-),,,,) la Pegaso a sus amigitos italianos de Iveco por unos 2.000 millones de las pesetas, menos de lo que valía un ‘galáctico’ del Real Madrid.

    Cosas veredes, amigo sancho.

    Cuenta Neo, ¿Es electrolisis mejorada, o, directamente, fotolisis?.

  2. Dr. Thriller:

    El hidrógeno no suelta al oxígeno, de hecho una proporción perfectamente apreciable de agua está disociada, es decir, el agua pura contiene una fracción molar de iones hidronio (un ión hidrógeno que se ha “acoplado” a una molécula de agua) e iones oxidrilo (OH-). El problema de hidrolizar es que esos electrones que forman parte del enlace O-H deben “volver” a crear enlaces que son, relativamente, más inestables que los del agua, es decir, debes romper H-O-H para crear H-H y O=O. No es sólo un problema de energía, la molécula de agua como te comento ya se disocia por sí sola sin “ayuda”, es que hay que reconstruir la molécula de hidrógeno (diatómica), para eso debes “obligar” al hidrógeno a enlazarse con él mismo, de ahí lo de la electrolisis, poner una fuente de electrones, blablabla.

    La molécula de oxígeno y la molécula de hidrógeno son inestables en relación a la molécula de agua, de ahí que reaccionen entre ellas y liberen el exceso de energía.

    En general, no creo que el hidrógeno valga para nada más allá de cosas concretas. En costes de producción casi te sale igual “fabricar” hidrógeno que metano, y el metano es más fácil de manipular y menos peligroso (lo que pasa es que el hidrógeno sí que se usa mucho como reactivo industrial). Para almacenar energía por ahora no hace falta tanta alta tecnología, por ejemplo volver a llenar los embalses de agua es una forma cojonuda y ya se hace (rebombear el agua del río), naturalmente que tiene pérdidas, pero más pérdidas tiene en conjunto un tinglado para almacenar hidrógeno. Otra cosa que merece ser investigada es el aire comprimido (o mejor aún, nitrógeno), es una forma barata y bastante limpia de almacenar energía.

  3. tomás:

    No creo disentir de Dr. Thriller si prefiero el hidrógeno al metano, en principio porque sus manejos son de peligros comparables. La segunda razón es evidente: si quemo metano produzco CO2.
    Sin embargo, salvo explicación, no comprendo la frase “… hay que reconstruir la molécula de hidrógeno (diatómica), para eso debes “obligar” al hidrógeno a enlazarse por sí mismo…”, puesto que la unión de dos átomos para formar una molécula de H2 entrega energía.
    Saludos.

  4. Dr. Thriller:

    Las combustiones no necesariamente son tan limpias, y el hidrógeno es en general mucho más peligroso que el metano. Por otro lado, el CO2 es realmente inerte (el problema viene creado por las barbaridades que echamos a la atmósfera), el agua a la que te refieres como producto de combustión del hidrógeno no lo es tanto, es problemática a la hora de alargar la vida de componentes y como fuente de humedad no necesariamente va a ser beneficiosa sobre el medio que le rodea. Por otro lado, las pérdidas de la economía de hidrógeno no son irrisorias, y crear una infraestructura de transporte y almacenamiento es extremadamente caro respecto al metano, estas fugas de hidrógeno (que se iría al espacio para no volver) si echas las cuentas para nuestra civilización industrial pueden suponer la pérdida de cantidades para nada negligibles de agua de este planeta (basta comprobar las pérdidas simplemente de petróleo en su mero transporte), el metano no presenta estos problemas. Por otro lado, una vez tenemos metano crear HC más pesados no es problemático ni costoso.

    Sí, pero es que el hidrógeno no necesariamente se va a unir con él mismo xD. Tiene que ser un entorno controlado porque puede tener otras preferencias, que suelen manifestarse en el caso de laboratorios con explosiones, ondas expansivas de fuego y demás pirotecnias, en función del hidrógeno liberado.

    En general, los ingenieros tienen una forma de pensar que me gusta, en términos gruesos. Como es sabido, no existe ninguna garantía para la estupidez -es imposible-, así que lo mejor entonces es intentar contenerla “de serie” en las reglas de juego.

  5. tomás:

    Dr. Thriller:
    En defensa del hidrógeno dedicado a la automoción e incluso a otros usos debo decir que tiene la ventaja -sobre todo en un futuro que no veo lejano salvo por intereses de las petroleras- de poder obtenerse en el lugar de suministro. Claro que la instalación de una “hodrogenera” sería mucho más cara que la de una gasolinera. Por tanto el problema del transporte sería en ese capítulo, mínimo. En cuanto el suministro a los hogares, en mi opinión, el manejo del metano nos ha dado suficiente experiencia para aplicar y mejorar los métodos.
    Por otra parte puede obtenerse incluso del metano y otros hidrocarburos, además de por métodos biológicos, extrayéndolo del agua. Ciertamente su rango de inflamabilidad creo que es unas cinco veces mayor que el del metano, pero su temperatura de autoencendido es muy alta -claro mientras no aparezca por ahí una chispa, pero en ese caso ya no es autoencendido-. Otra posibilidad es investigar la posibilidad de producirlo también in situ en los hogares, o al menos en los bloques. El caso es reducir todo lo posible el transporte sea por tuberías o cualquier otro medio.
    En resumen y para no entrar en detalles que darían para un tomo entero comparando combustibles fósiles con hidrógeno. Los combustibles fósiles son limitados y cada vez más caros precisamente debido a su relativamente próximo agotamiento. Con el hidrógeno, transformado por la combustión en agua, no hay peligro de agotamiento. Solo existe el de las fugas que pueden solucionarse minimizando el transporte. Si el final de los fósiles es inevitable y sólo puede alargarse echando mano del carbón con la contaminación e incremento insoportable del dióxido que eso conllevaría, ¿qué otra solución queda? La fusión es una esperanza, pero tiene el inconveniente de que una central ha de costar cifras inimaginables y ello traerá como consecuencia quedar aún más prisioneros del gran capital.
    El hidrógeno tiene suficiente afinidad para unirse consigo mismo y formar hidrógeno molecular. Sí que tiene mayor afinidad con algunos elementos abundantes, pero imagino que no es problemático evitar su reacción y dirigirla hacia lo que nos conviene.
    Y con respecto a la estupidez, no es privativa de ninguna profesión, ni grosso modo ni al detalle; basta el ejemplo de
    la conocida que mencionas en tu 7 de “Calentamiento por siglos”, licenciada en física, que bien podría ser doctora a poco que se lo propusiera. Yo he conocido y aún conozco cierto número de ellos que han alcanzado ese grado con mayor categoría en estupidez, aunque no se han atrevido a hacer la tesis por no recibir el reconocimiento a sus méritos.
    Saludos.

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