Creando energía de hidrógeno a partir de la luz solar – División fotocatalítica

Científicos de la Universidad de Tohoku y otras instituciones líderes revelaron recientemente un proceso de división del agua fotocatalítica que podría revolucionar la producción de hidrógeno. El nuevo enfoque utiliza energía solar para asistir en la electrólisis del hidrógeno, dividiendo el agua en moléculas de hidrógeno y oxígeno. Como tal, puede potencialmente revolucionar el sector de energía limpia y abrir la puerta a una comprensión más profunda de las capacidades fotocatalíticas.

Cómo funciona la fotocatálisis

La fotocatálisis ocurre cuando la luz UV se utiliza para activar otros catalizadores, lo que inicia un proceso químico. Es una estrategia común utilizada por los científicos que proporciona un inicio más limpio de los procesos y no requiere el uso de catalizadores adicionales en el proceso inicial. En la mayoría de los casos, el catalizador absorberá la energía UV hasta alcanzar su etapa de activación.  Cabe destacar que el óxido de titanio(IV) (TiO2) es el fotocatalizador más estable y activo en uso hoy en día.

Limitaciones actuales en los sistemas fotocatalíticos

Todavía queda mucho por investigar y desarrollar en cuanto al uso de procesos fotocatalíticos. Algunas limitaciones de la ciencia incluyen baja eficiencia y rápida recombinación de pares electrón‑agujero. Esta última resulta en un rendimiento reducido y residuos adicionales.

Producción de hidrógeno fotocatalítica: una visión general

Una área de interés donde la fotocatálisis ha encontrado aplicación es en la división del agua. Los científicos han observado que al usar la luz solar para descomponer las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno, pueden crear una fuente de energía limpia que está disponible globalmente y puede escalar para satisfacer las necesidades de la comunidad.

Resumen del estudio: Janus Heterobilayers en acción

El estudio¹, “Diseño racional de heterobilayers 2D de dicalcogenuros de metales de transición y sus Janus para una división eficiente del agua“, examina el uso de fotocatalizadores en la electrólisis del hidrógeno. El estudio profundiza en cómo mejorar el rendimiento fotocatalítico, explorando composiciones materiales únicas, incluidos los heterobilayers Janus.

El papel de los heterobilayers Janus en la división del agua

Los heterobilayers Janus son estructuras 2D que poseen características únicas basadas en su posicionamiento. Se crean mediante múltiples combinaciones de materiales, que pueden aprovechar dipolos intrínsecos y fuertes campos eléctricos internos. Cabe destacar que existen combinaciones casi ilimitadas. Sin embargo, para este estudio, el equipo se centró en los heterobilayers Janus de dicalcogenuros de metales de transición (TMDC).

Fuente – Tohoku University

Teoría del funcional de densidad (DFT)

Los investigadores utilizaron cálculos de teoría del funcional de densidad (DFT) para determinar las disposiciones atómicas ideales. Los modelos permitieron al equipo identificar aumentos del campo eléctrico, lo que les permitió rastrear datos cruciales, incluidos la movilidad de portadores, la química de superficie, los band gaps y la alineación de los campos eléctricos sintéticos e internos.

Probando combinaciones de materiales para la eficiencia

Los científicos seleccionaron 20 combinaciones óptimas para probar. Luego utilizaron el modelo de interacción de Fröhlich para obtener una comprensión más profunda de cómo la dispersión de fonones y otros procesos afectan el rendimiento fotocatalítico.

Hallazgos clave: WS₂–SMoSe alcanza una eficiencia del 16,62%

Después de probar las 20 opciones, los científicos pudieron optimizar las propiedades electrónicas y estructurales de los materiales 2D para crear una solución ideal. Cabe destacar que el equipo determinó que el heterobilayer WS₂‑SMoSe proporcionó los mejores resultados. El material demostró una eficiencia de conversión solar‑a‑hidrógeno del 16,62%, superando con creces las alternativas anteriores.

Por qué el hidrógeno fotocatalítico es importante para la energía limpia

Los beneficios del estudio sobre hidrógeno limpio son indiscutibles. Por un lado, esta tecnología ofrece un camino más claro hacia la producción de energía limpia, reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero y ralentizando el calentamiento global. El uso de energía solar para alimentar el proceso es un gran ejemplo de aprovechar una fuente de energía limpia para crear otra.

Aplicaciones del mundo real y cronograma de despliegue

Existen varias aplicaciones para esta tecnología. Por ejemplo, podría usarse para alimentar su hogar o vehículos en el futuro. Ya existen muchas opciones impulsadas por hidrógeno. Sin embargo, en el pasado, obtener hidrógeno era un proceso que el individuo promedio no podía realizar de forma segura. Esta última mejora podría abrir la puerta a una electrólisis iniciada por energía solar de bajo costo que se alinea con el objetivo global de reducir la contaminación y mejorar la independencia energética.
No se han dado detalles específicos sobre cuándo podría verse esta tecnología en el mercado. Sin embargo, es una apuesta segura que pasarán entre 5 y 10 años antes de que pueda alimentar su coche con hidrógeno proveniente de su granja solar mediante una máquina de electrólisis doméstica. Este cronograma podría reducirse a medida que la demanda de energía limpia continúe aumentando.

Investigadores de la división del agua fotocatalítica

El estudio de División del Agua Fotocatalítica fue organizado por la Universidad de Tohoku y la Universidad de Ciencia, Universidad Nacional de Vietnam – Ciudad Ho Chi Minh (VNU‑HCM). Este estudio enumera a Nguyen Tuan Hung como autor principal y a Vu Thi Hanh Thu como coautor. El estudio también muestra que Nguyen Tran Gia Bao, Ton Nu Quynh Trang, Nam Thoai y Thang Bach Phan asistieron en esta investigación pionera.

¿Qué sigue para la tecnología del hidrógeno fotocatalítico?

Aún queda mucha investigación por hacer en cuanto a crear el sistema fotocatalítico ideal. Los ingenieros ahora buscarán hacer el proceso más fácil y accesible al público. Estos pasos incluirán reducir el tamaño del sistema y hacerlo portátil, fácil de usar e integrable en el hogar promedio.

Invertir en el sector del combustible de hidrógeno

Hay varias empresas que compiten en el sector del combustible de hidrógeno de miles de millones de dólares, que se prevé que se expandirá a 40,39 mil millones de dólares para 2029. Estas compañías ofrecen una variedad de servicios, desde hidrógeno preparado hasta sistemas in situ, motores de automóviles y mucho más. Aquí hay una empresa que logró crear un nicho en el mercado y sigue siendo un competidor respetado.

Plug Power

Power Plug (PLUG ) ingresó al mercado en 1997 después de que DTE Energy (DTE ) y Mechanical Technology Inc. unieran fuerzas para ofrecer sistemas de pilas de combustible de hidrógeno de alto rendimiento. La compañía tiene actualmente su sede en Latham, Nueva York, y cuenta con más de 3.400 empleados.
Desde su lanzamiento, Power Plug ha logrado avances significativos en el mercado. Fue el primer fabricante de sistemas de hidrógeno en ofrecer sistemas de pilas de combustible comerciales a clientes de la UE. Además, ha sido pionero en el uso de motores de hidrógeno en la industria del transporte por carretera. Todos estos factores reflejan el objetivo de la compañía de proporcionar soluciones de energía limpia variables.

Power Plug está idealmente posicionada para lograr una mayor penetración en el mercado, ya que la comunidad internacional se ha comprometido a reducir significativamente los combustibles fósiles en las próximas décadas. Por lo tanto, podría beneficiarse enormemente si lanzara un sistema de división del agua fotocatalítica al público en los próximos años.

Últimas noticias y desarrollos de acciones de Plug Power (PLUG)

División del agua fotocatalítica  – El hidrógeno limpio está en camino

El estudio de división del agua fotocatalítica representa un cambio hacia el aprovechamiento de múltiples estrategias de energía limpia para lograr una mayor generación de energía. Hay que felicitar a este equipo de ingenieros por ayudar a ampliar la comprensión de los procesos fotocatalíticos y demostrar cómo abren la puerta a una nueva era en la producción de hidrógeno.

Conozca otros desarrollos de energía limpia aquí.

Estudios referenciados:

^{1. Bao, N. T. G., Trang, T. N. Q., Thoai, N., Phan, T. B., Thu, V. T. H., & Hung, N. T. (2025). Diseño racional de heterobilayers 2D de dicalcogenuros de metales de transición y sus Janus para una división eficiente del agua. ACS Applied Energy Materials, 8(8), 5209–5221. https://doi.org/10.1021/acsaem.5c00175}