Eficiencia energética récord con una hoja artificial

En la diversificación de las fuentes energéticas a la que se tiende en la actualidad se suman ahora los resultados del proyecto A-LEAF, coordinado por José Ramón Galán-Mascarós del Instituto Catalán de Investigación Química (ICIQ-CERCA) y en el que participan también instituciones científicas de Francia, Alemania, Italia y Suiza.

Esta iniciativa de investigación de fotosíntesis artificial, una de los más grandes financiadas por la Comisión Europea, consiste en un dispositivo autónomo capaz de convertir dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) en combustibles mediante el uso de luz solar, de forma similar a cómo realizan la fotosíntesis las plantas.

La innovadora célula que ha desarrollado el equipo proporciona una eficiencia de conversión solar a combustible de más del 10 %, alcanzando densidades de corriente récord en el mundo sin usar materiales críticos.

Esto demuestra que la sostenibilidad y la alta productividad también se pueden lograr con materiales escalables y de bajo coste, según los investigadores.

Instrumentos utilizados para la investigación. / ICIQ

Producción de hidrógeno

Además, introducen el nuevo concepto de producir hidrógeno (H2) y un elemento o 'formato' para almacenarlo simultáneamente, siendo este último utilizado para luego generarlo en ausencia de luz solar.

Esta solución permite por primera vez una producción continua (24/7) de hidrógeno mediante un dispositivo de hoja artificial.

"A-LEAF fue un proyecto verdaderamente interesante y desafiante, y terminar con un prototipo altamente eficiente ha sido la guinda del pastel", afirma el profesor Javier Pérez-Ramírez del ETH en Zúrich.

Este enfoque se validó en una arquitectura compacta de celda de flujo electroquímico, con electrodos basados en cobre y azufre (Cu-S) y óxido de níquel, hierro y zinc (Ni-Fe-Zn, para la reducción de protones y CO2 y las reacciones de evolución de oxígeno, respectivamente) soportados en electrodos de difusión de gas, integrados con un módulo fotovoltaico de silicio de bajo coste.

La célula funciona a una densidad de corriente de alrededor de 17 miliamperio por centímetro cuadrado (mA cm−2) y un voltaje de 2,5 voltios (estable durante más de 24 horas y durante las operaciones de encendido y apagado), proporcionando una productividad de formato superior a 190 micromoles por metro cuadrado por segundo (μmol h−1 cm−2).

Los resultados de este estudio allanan el camino hacia la implementación de sistemas asequibles de hoja artificial en el escenario energético futuro, brindando una solución sostenible al gran desafío de lograr la transición energética y transformar el actual modelo centralizado en uno distribuido.

"Este es el primer ejemplo de una hoja artificial con un orden de magnitud de eficiencia superior a la hoja natural. Este gran paso no hubiera sido posible sin la estrecha interacción y colaboración de muchos centros de investigación con competencias multidisciplinares. Ahora estamos buscando implementar el próximo paso para realizar un prototipo a gran escala para demostrar la viabilidad industrial", explica la profesora Siglinda Perathoner de la Università degli Studi di Messina (Italia).

La tecnología A-leaf está lista para una mayor escala y optimización, con el objetivo final de construir un árbol artificial, apoyando así el sueño de un futuro sostenible, según los autores, que publican su estudio en 'Energy & Environmental Sciences'.

"Más allá de los números de productividad, nuestro mayor éxito fue reunir un equipo europeo de líderes mundiales en sus diferentes campos de investigación para trabajar juntos con un objetivo común: demostrar que una hoja artificial también puede funcionar cuando se construye exclusivamente con materiales asequibles ofreciendo un rendimiento récord en esta tecnología puntera", concluye Galán-Mascarós.

Investigadores que han participado en el proyecto. / ICIQ-CERCA

Referencia:

Galán-Mascarós, J.R. 'An artificial leaf device built with earth-abundant materials for combined H2 production and storage as formate with efficiency > 10%'. 'Energy & Environmental Sciences' (2023)