01/03/2017

Desarrollan nanomateriales tridimensionales con excelentes propiedades para generar energía

Actualmente se trabaja intensamente en la investigación de nuevos materiales en un intento de explotar fuentes de energía renovables, virtualmente inagotables. El trabajo que ahora se publica saca a la luz nuevos nanomateriales tridimensionales con propiedades fotoelectroquímicas para la generación de energía. El estudio es fruto de una colaboración del grupo MINOS (Microsistemas y Nanotecnologías para el Análisis Químico) de la URV y la Universidad Tecnológica de Brno (República Checa) y se ha publicado a la revista Nano Energy

Eduard Llobet, director del grupo MINOS.

Desarrollar nuevos materiales para explotar fuentes de energía renovables es una de las líneas de trabajo en que los investigadores de diferentes campos trabajan intensamente. La descomposición fotoelectroquímica del agua se está desarrollando rápidamente y representa una buena aproximación para transformar energía solar en hidrógeno, una fuente de energía limpia que se puede almacenar. En este sentido, se ha investigado el óxido de tungsteno como material para la generación fotoelectroquímica de hidrógeno, es decir, mediante una reacción electroquímica inducida por un efecto fotoeléctrico.

En estos dispositivos prácticos -que ofrecen un rendimiento suficiente bono para poderlos utilizar en la generación de hidrógeno de manera efectiva- , la superficie del material semiconductor nanoestructurado absorbe la energía solar y actúa como electrodo para la electrólisis del agua, su descomposición en oxígeno e hidrógeno. A pesar de todo, con una capacidad de absorber el 12% del espectro solar y con un límite teórico relativamente bajo por la fotocorriente generada bajo iluminación solar, el material parece lejos de ofrecer las prestaciones necesarias para una aplicación práctica.

Las imágenes obtenidas mediante microscopio electrónico de rastreo muestran dos agrupaciones de nanocolumnas de óxido de tungsteno con diferentes radio y altura (70/700 nm), izquierda) y (13/130 nm), derecha. Las nanocolumnas grandes son más efectivas en la separación fotoelectroquímica del agua, puesto que las cargas fotogeneradas no se recombinen rápidamente como pasa en las columnas pequeñas.

En el trabajo ahora publicado se han desarrollado agrupaciones autoorganizadas de columnas de óxido de tungsteno mediante la técnica de anodización —un tratamiento de protección que se aplica a los metales a través de la cual se crea una capa de óxido superficial más grande que la que se formaría naturalmente— asistida por alúmina porosa anódica, un óxido de aluminio preparado por medios electroquímicos. Empleando diferentes condiciones de anodización, se han obtenido diferentes nanoestructuras en forma de columnas (con diferentes diámetros y alturas). Variando las condiciones del tratamiento posterior -tratamientos térmicos a 500-550°C en vacío o aire-, junto con la disolución selectiva de la alúmina porosa anódica, ha permitido controlar la composición de las nanocolumnas de óxido de tungsteno, su estructura cristalina y las propiedades eléctricas. En particular, las estructuras de diámetro más grande tratadas en aire muestran un comportamiento excelente en la descomposición fotoelectroquímica del agua: un bajo potencial de inicio, una elevada fotocorriente generada y la ausencia de signos de fotocorrosión.

Estos resultados tan prometedores son susceptibles de mejorar, si se utilizan columnas más altas y más densamente agrupadas, de forma que se pueda aumentar la eficiencia en la captación de radiación solar y en la separación de las cargas generadas.

Con esta investigación, pues, se han creado nuevos nanomateriales las características de los cuales permiten la descomposición fotoelectoquímica del agua y facilitan la generación de hidrógeno. Por lo tanto, esta técnica utiliza una forma de energía renovable, virtualmente inagotable que no produce gases responsables del efecto invernadero.

El estudio es fruto de una colaboración del grupo MINOS Microsistemas y Nanotecnologías por el Análisis Químico (MINOS) de la URV —uno de los grupos que integran el Centro de Investigación EMaS—, dirigido por el profesor Eduard Llobet con el grupo del doctor Alexander Mozalev, de la Universidad Tecnológica de Brno (República Checa) y se ha publicado en la revista Nano Energy, de alto impacto en los campos de los materiales, la nanociencia y la nanotecnología.

Referencia bibliográfica: Maria Bendova, Francesc Gispert-Guirado, Achim Walter Hassel, Eduard Llobet, Alexander Mozalev, Solar water splitting on porous-alumina-assisted TiO2-doped WOx nanorod photoanodes: Paradoxes and challenges, Nano Energy 33 (2017) 72–87, http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.01.029


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