Sol y agua. La nueva forma para fabricar hidrógeno donde también participa la cuántica

En pleno proceso de descarbonización mundial, los investigadores están buscando la manera de sustituir por completo los combustibles fósiles, que tan perjudiciales son para el medioambiente al contribuir al cambio climático. Una de las mejores opciones parece ser el hidrógeno, llamado justamente el «combustible del futuro» por ser limpio, inagotable y versátil. Cuando se utiliza, tan solo emite vapor de agua, eliminando el CO2 y otros gases contaminantes, lo que lo vuelve tan atractivo para el transporte pesado y otras industrias.

Si el hidrógeno es tan maravilloso, ¿por qué no se utiliza ya masivamente? La respuesta es bastante sencilla: sus costes de producción (especialmente el hidrógeno verde) todavía son muy altos. También hay falta de infraestructura para almacenarlo, y se está investigando cómo evitar la pérdida energética en todo el proceso. Además, se enfrenta a retos de seguridad muy importantes, ya que es muy volátil.

Sin embargo, los esfuerzos de los investigadores están dando sus frutos y podríamos ver el hidrógeno como combustible en el mundo real más pronto que tarde. Un equipo de la Universidad de Michigan ha desarrollado materiales cuántico que podrían revolucionar la producción de combustible de hidrógeno utilizando únicamente luz solar y agua.

Generar hidrógeno ecológico a gran escala está cada vez más cerca

La producción tradicional de hidrógeno, a diferencia del hidrógeno verde, suele depender de combustibles fósiles, por lo que utilizarlo no disminuye la contaminación. Para solucionar el problema, el equipo abordó los desafíos de la disociación fotocatalítica del agua, sus superredes cuánticas excitónicas demostraron una eficiencia impresionante en la producción de hidrógeno limpio.

El método de disociación fotocatalítica del agua utiliza la luz solar para impulsar la reacción química. Esto tiene el potencial de permitir la generación de hidrógeno ecológico a gran escala. El equipo de investigadores de la Universidad de Michigan abordó el antiguo de los fotocatalizadores ineficientes a la hora de dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno, ofreciendo una alternativa más limpia a los métodos dependientes de combustibles fósiles.

Desarrollaron superredes cuánticas excitónicas, compuestas por capas ultrafinas de nitruro de galio y nitruro de galio-indio. Estas forman una pila periódica que mejora las propiedades optoelectrónicas. El equipo descubrió que estos materiales eran capaces de descomponer el agua y producir hidrógeno limpio con una eficiencia notable.

La producción de hidrógeno limpio directamente a partir de la luz solar y el agua se ha convertido en un camino prometedor para lograr la neutralidad de carbono y la sostenibilidad ambiental

Las pruebas realizadas por los investigadores arrojaron resultados impresionantes. Sus materiales mostraron una eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno del 3,16 % en condiciones ambientales con luz solar concentrada, y un promedio del 1,64 % en demostraciones de ampliación a escala exterior con una intensidad de luz solar 204 veces superior.

"Sin embargo, el uso ineficiente de los portadores de carga fotogenerados en los fotocatalizadores dificulta la eficiencia de la conversión de energía solar a hidrógeno. Demostramos el uso de estructuras superreticulares cuánticas excitónicas, compuestas por nitruro de galio y nitruro de indio y galio a escala nanométrica, para lograr una dirección de carga eficaz para la descomposición fotocatalítica general del agua", añadieron los investigadores.

Los investigadores aprovecharon el efecto Stark confinado cuánticamente para extender la vida útil de los excitones indirectos fotogenerados. Si bien estas eficiencias demostradas durante las pruebas representan un avance, se mantienen por debajo de los niveles requeridos para una adopción comercial generalizada. Aun así, el trabajo demuestra el potencial de las superredes cuánticas en sistemas fotocatalíticos.