Un sistema fotoelectroquímico escalable para la producción de hidrógeno verde.

10 de febrero de 2024 característica

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por Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Si se utiliza energía solar u otra energía renovable, la división del agua podría ser una forma prometedora de producir hidrógeno (H2) de manera sostenible a gran escala. Sin embargo, hasta ahora se ha encontrado que la mayoría de los sistemas propuestos de división fotoelectroquímica del agua son ineficientes, inestables o difíciles de implementar a gran escala.

Investigadores del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST) se han propuesto desarrollar un sistema fotoelectroquímico (PEC) escalable y eficiente para producir hidrógeno verde. Su sistema propuesto, descrito en Nature Energy, se basa en un innovador fotoánodo de perovskita de triyoduro de plomo de formamidinio (FAPbI3), encapsulado por un electrocatalizador de lámina de Ni/NiFeOOH.

'Nuestro grupo ha estudiado a fondo los desafíos asociados con la producción práctica de hidrógeno solar', dijo Jae Sung Lee, profesor de Ingeniería Energética y Química en UNIST y coautor del artículo, a Tech Xplore. 'Como se resume en nuestro artículo de revisión más reciente, se requiere un mínimo del 10% de eficiencia solar-hidrógeno (STH) para desarrollar un sistema PEC práctico viable, y la primera criterio es seleccionar un material eficiente'.

Hasta ahora, la mayoría de los intentos de realizar la producción fotoelectroquímica de hidrógeno han empleado óxidos metálicos intrínsecamente estables como materiales de fotoelectrodo en células PEC. Sin embargo, estos sistemas han dado como resultado eficiencias muy por debajo de las necesarias para su aplicación práctica.

Por lo tanto, algunos investigadores han estado explorando el potencial de fotoelectrodos basados en materiales de grado fotovoltaico, como silicio, perovskitas, calcogenuros y materiales de clase III-V. Si bien se sabe que estos materiales tienen una eficiencia notable, a veces pueden ser costosos e inestables, especialmente si se colocan en agua, como ocurriría si se introdujeran en células de división del agua PEC.

'A diferencia de otros materiales de grado fotovoltaico, las perovskitas de haluro metálico (MHP) tienen características únicas de alta eficiencia pero bajo costo y podrían convertirse en un material alternativo para fotoelectrodos si se aborda adecuadamente su problema de estabilidad', dijo Lee. 'Los materiales MHP tienen excelentes propiedades optoelectrónicas y una brecha de banda ajustable que se desean para proporcionar la corriente fotovoltaica y la tensión fotovoltaica necesarias para dividir el agua y producir oxígeno e hidrógeno en una sola celda PEC'.

Para diseñar fotoelectrodos efectivos basados en MHP, los investigadores primero tuvieron que enfrentar un desafío crucial, que fue mantener su estabilidad en condiciones de humedad y bajo luz ultravioleta. Para lograr esto, intentaron estabilizarlos utilizando técnicas de encapsulación o protección por metal y adoptaron la perovskita FAPbI3 resistente a los rayos UV.

'Otro desafío para las aplicaciones prácticas es la escalabilidad, o en otras palabras, mantener la alta eficiencia de las células de laboratorio (que son <1 cm2) en implementaciones prácticas a gran escala (1 m2)', dijo Lee. 'Para nuestro estudio, seleccionamos el material MHP más avanzado en eficiencia y estabilidad (FAPbI3) y lo encapsulamos con una lámina de níquel gruesa (30 mm) depositada con un catalizador NiFeOOH para proteger MHP en agua y promover la reacción de evolución de oxígeno para la división del agua'.

Los investigadores primero crearon una versión a pequeña escala de su sistema propuesto, basada en un fotoelectrodo de menos de 1 cm2 de tamaño. En las pruebas iniciales, este sistema a escala de laboratorio logró una eficiencia STH del 9.89% y una estabilidad a largo plazo.

'Luego ampliamos este dispositivo de área pequeña a un sistema PEC de área grande y práctico utilizando un diseño basado en módulos', dijo Lee. 'Lo hicimos seleccionando un dispositivo de 7.68 cm2 como el mini-módulo básico y lo repetimos horizontal y verticalmente para fabricar un dispositivo de gran tamaño'.

De manera notable, Lee y sus colegas encontraron que la ampliación de su sistema solo resultó en una pérdida mínima de eficiencia. Además, el sistema a gran escala mantuvo su estabilidad a largo plazo, lo que sugiere que su diseño es altamente escalable.

'Nuestro sistema PEC totalmente de perovskitas está compuesto por un fotoánodo de FAPbI3, que es una película delgada MHP protegida utilizando una lámina de metal níquel como capa de encapsulación y NiFeOOH como capa de catalizador sobre ella', dijo Lee.

'We optimized this photoanode using different metal foils and studied the in-depth catalyst-electrolyte interactions. This photoanode was connected in parallel to another MHP thin film as PV in a single reactor to generate enough voltage (~2 V) to split water molecules into O2 and H2 gases. In a large scale system, both components (photoanode and PV) are integrated in single PEC device to simplify the total system by a modular design.'

The researchers' mini-module is essentially made up of a photoelectrode and a PV unit cell, arranged in a 4 x 4 array. Their system integrates multiple components in a single PEC device to eliminate the need for additional PV components.

This unique design reduces their system's complexity and lowers its fabrication costs. Lee and his colleagues demonstrated that their system retains a good performance even when deployed in a larger scale, which could facilitate its future real-world deployment.

'The short-term demonstration of our scalable system will lead toward practical application of PEC technology for green hydrogen production in outdoor conditions,' Lee added. 'We also plan to further improve the efficiency and stability of the PEC system by integration of photoelectrodes and selecting more efficient and durable catalyst. We look [forward to] the opportunity to demonstrate a pilot scale solar hydrogen production system under natural sunlight using our technology.'

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