Sostenibilidad
El carburo de silicio mejora como candidato para la fotocatálisis del hidrógeno
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¿Por qué el hidrógeno es esencial para la descarbonización
A medida que avanza la búsqueda de descarbonizar nuestros sistemas energéticos, queda claro que algunos procesos pueden necesitar más que solo electricidad verde. Esto puede ser cierto para el transporte, especialmente tareas de gran tonelaje como autobuses y camiones, ciertamente cierto para el envío y la aviación, y igualmente necesario para industrias pesadas como la producción de acero y productos químicos.
La razón es que algunas aplicaciones requieren combustión muy caliente (metalurgia), el suministro de átomos de hidrógeno energéticos sin usar metano (industria química), o un combustible de muy alta densidad energética (navío), para los cuales la energía eléctrica y las baterías simplemente no son adecuadas.
“Los automóviles de pasajeros pueden tener una batería, pero los camiones pesados, los barcos o los aviones no pueden usar una batería para almacenar la energía. Para estos medios de transporte, necesitamos encontrar fuentes de energía limpias y renovables, y el hidrógeno es un buen candidato.”
Jianwu Sun – Profesor asociado en la Universidad de Linköping
Por eso los investigadores y activistas climáticos han estado considerando el hidrógeno verde, producido sin combustibles fósiles, como una alternativa. El problema es, sin embargo, que la producción de hidrógeno verde ha sido hasta ahora demasiado costosa para permitir una adopción masiva frente a los combustibles fósiles.
Cómo resolver el desafío de la producción de hidrógeno verde
Hasta ahora, la mayoría de los métodos para producir hidrógeno funcionan alrededor de un proceso de 2 pasos:
- Primero, producir energía verde con solar, eólica, hidroenergía o cualquier otra forma renovable de energía.
- Segundo, usar esa electricidad verde para impulsar la catálisis del agua en hidrógeno.
El problema con eso es que cualquier proceso de varios pasos es necesariamente menos eficiente.
Por ejemplo, la luz solar se convierte en energía mediante paneles solares con solo un rendimiento del 20‑25 %; luego, la energía se transporta a un catalizador de hidrógeno, que también tiene un rendimiento relativamente bajo. Al final, el rendimiento total de energía solar a hidrógeno probablemente esté en los bajos dígitos únicos.
Y está la cuestión de los costos. El catalizador probablemente consume metales raros como platino o paladio. La producción de energía renovable también usa materiales raros como la plata, y la transmisión de energía desde la granja solar al catalizador a menudo requiere inversiones masivas.
Por último, la mayoría de los catalizadores que producen hidrógeno exigen un nivel estable de energía eléctrica, lo que significa que deben añadirse grandes sistemas de baterías como componentes adicionales a la infraestructura requerida.
Existen muchos enfoques posibles para resolver esto que se están explorando. Por ejemplo, discutimos previamente:
- Usar diferentes materiales para la producción de hidrógeno, como tungsteno-cobalto o níquel.
- Uso de chatarra metálica del mecanizado de platino y cobalto.
- Crear un proceso de fotosíntesis artificial con nanopartículas de rutenio.
Cada uno de estos métodos podría, en última instancia, funcionar para crear catalizadores más baratos que no requieran una gran cantidad costosa de platino nuevo para producir hidrógeno.
Pero un nuevo enfoque es realizar fotocatálisis directa, o la transformación del agua en hidrógeno directamente a partir de la energía de la luz solar, sin convertirla primero en energía eléctrica. La fotocatálisis directa no solo puede eliminar la necesidad de múltiples pasos, sino que también usa materiales más simples y menos raros para construir generación de energía verde e infraestructuras.
Este es el enfoque defendido por investigadores de la Universidad de Linköping (Suecia), la Universidad de Kyushu (Japón), el Laboratorio MAX IV (Suecia) y la Universidad de Tecnología de Dalian (China). Publicaron su último progreso en el Journal of the American Chemical Society1 bajo el título “Manipulación de la estructura electrónica mediante ingeniería de doble interfaz del fotoánodo 3C‑SiC para mejorar la división solar del agua”.
Carburo de silicio para la fotocatálisis
Cómo el carburo de silicio permite la fotocatálisis directa
Este equipo de investigación ha trabajado previamente con un material llamado carburo de silicio cúbico (3C‑SiC).
Fuente: RRL Solar
El material puede capturar eficazmente la luz solar para la producción de hidrógeno a través de la reacción fotoquímica de división del agua.
Fuente: RRL Solar
Cuando la luz solar incide sobre el material, se generan cargas eléctricas (como en un panel solar de polisilicio), que luego se usan para dividir el agua.
Un desafío en el desarrollo de materiales para esta aplicación es evitar que las cargas positivas y negativas se vuelvan a combinar y se neutralicen entre sí.
Así que, para hacer que la división del agua en hidrógeno sea más eficaz, es importante mantener las cargas eléctricas separadas.
Nuevo diseño de catalizador de carburo de silicio de tres capas
Los investigadores combinaron una capa de carburo de silicio cúbico con dos capas adicionales, usando hidróxido de níquel (Ni(OH)₂) y óxidos de cobalto (Co₃O₄).
El equipo había perfeccionado previamente la producción de carburo de silicio cúbico mediante la técnica de sublimación, confirmando la calidad del cristal con difracción de rayos X (XRD).
También confirmaron que la interfaz entre las capas aumentó la vida útil de las cargas eléctricas, incrementando la probabilidad de que los electrones sean utilizados por reacciones químicas que dividen el agua en hidrógeno y oxígeno.
“Es una estructura muy complicada, por lo que nuestro enfoque en este estudio ha sido entender la función de cada capa y cómo ayuda a mejorar las propiedades del material.
El nuevo material tiene ocho veces mejor rendimiento que el carburo de silicio cúbico puro para dividir el agua en hidrógeno.
Jianwu Sun – Profesor asociado en la Universidad de Linköping
Próximos pasos para impulsar la eficiencia de la fotocatálisis
Hasta ahora, la fotocatálisis con carburo de silicio solo ha logrado alcanzar un rendimiento energético del 1‑3 %.
La presencia de una capa “P‑Type” de óxido de cobalto bajo estructuras de hidróxido de níquel acelera el movimiento de electrones, acelerando la producción de hidrógeno.
Aunque todavía no se ha llegado al objetivo, los investigadores estiman que esto podría mejorarse significativamente con su método.
En última instancia, se espera un rendimiento >10 % sin requerir platino ni paladio, ni infraestructura elaborada o suministro continuo de energía, con la producción de hidrógeno ocurriendo directamente tan pronto como el Sol brille sobre el dispositivo.
Invertir en empresas de carburo de silicio
ON Semi
ON Gráfico de precios
ON Semi es una empresa de semiconductores especializada en electrificación, incluyendo en automoción, pero también en otros sectores como energía solar, baterías, aeroespacial, telecomunicaciones, centros de datos y medicina.
Como tal, es un socio clave para muchas de las mayores compañías industriales del mundo.
Fuente: ON Semi
Una gran parte de la ventaja tecnológica de ON Semi se basa en el carburo de silicio, un tipo de compuesto de silicio‑carbono utilizado para sistemas eléctricos de alta energía. Permiten, notablemente, cargas de potencia muy altas requeridas para la carga rápida de vehículos eléctricos.
El carburo de silicio es el químico que recientemente han usado los investigadores para desarrollar grafeno semiconductor, como se discute en nuestro artículo “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?” y, como se comenta aquí, también tiene potencial para la generación de hidrógeno.
La estrategia de ON Semi de apostar fuertemente por el carburo de silicio llevó a la empresa a experimentar un aumento de ingresos en los últimos años, impulsado por la revolución de los vehículos eléctricos.
Fuente: ON Semiconductor
Las baterías y sistemas eléctricos cada vez más potentes y eficientes que utilizan carburo de silicio están adquiriendo una importancia creciente en la cadena de suministro global. Como líder del sector, ON Semi probablemente se beneficiará enormemente de la tendencia de electrificación, especialmente de los vehículos eléctricos y otras energías verdes.
(También puedes leer un artículo más extenso sobre esta compañía en “On Semiconductor (ON): Carburo de silicio impulsando la electrificación”.
Últimas noticias y desarrollos de acciones de ON Semi (ON)
Estudio referenciado
1. Hui Zeng, et al. (2025) Manipulación de la estructura electrónica mediante ingeniería de doble interfaz del fotoánodo 3C‑SiC para mejorar la división solar del agua. Journal of the American Chemical Society Vol 147/Issue 17. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04005
