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TECNOLOGÍA. Fotocatálisis impulsada por la luz solar para la producción de hidrógeno a escala

 

Vista panorámica del sistema de reacción del panel fotocatalítico de producción de hidrógeno. Fuente: Adaptado de Nishiyama, H., Yamada, T., Nakabayashi, M. et al.

La producción de hidrógeno solar a gran escala mediante la división del agua utilizando un fotocatalizador en polvo se considera uno de los métodos más prometedores para producir combustibles sostenibles en el futuro. 

En 2018, este grupo de investigación demostró que el reactor de panel fotocatalítico de división de agua se puede escalar hasta 1 metro cuadrado de tamaño sin comprometer la actividad de división de agua solar del fotocatalizador. Sin embargo, la separación y recolección a gran escala de hidrógeno solar más allá de la escala de laboratorio nunca se había realizado. Fue necesario revisar el diseño del reactor de panel fotocatalítico y desarrollar un sistema para separar de manera segura la mezcla de gas de hidrógeno y oxígeno en un ambiente exterior.

El proyecto de investigación conjunto en el que participaron NEDO, ARPChem, la Universidad de Tokio, Fujifilm, TOTO, Mitsubishi Chemical, la Universidad Meiji y la Universidad Shinshu (responsable de la tecnología fotocatalítica de separación de agua) demostró que en un área exterior a gran escala de 100 m 2 es posible dividir el agua utilizando un fotocatalizador en polvo y rayos solares para recuperar el hidrógeno solar del gas hidrógeno-oxígeno generado. 

Aún se necesitan pruebas de seguridad más rigurosas, pero si se usa un sistema diseñado adecuadamente, el gas hidrógeno-oxígeno altamente explosivo puede manipularse de manera segura durante largos períodos. Por lo tanto, un sistema para producir una gran cantidad de hidrógeno solar a bajo costo mediante la mejora del fotocatalizador sensible a la luz visible, el panel del fotocatalizador y el módulo de separación de gases está al alcance.

Lograr esta hazaña requirió mucho avance tecnológico y la colaboración de expertos de diversos campos. El desarrollo y la demostración de la separación estable de hidrógeno del gas mezclado de hidrógeno y oxígeno húmedo, independientemente de las condiciones climáticas y de luz solar, es una tecnología revolucionaria sin precedentes que se encuentra actualmente bajo revisión de patente. 

El profesor adjunto de la Universidad Shinshu, Takashi Hisatomi de la Iniciativa de Investigación para Supra-Materiales, que es un experto en fotocatálisis para la división de agua y la producción de hidrógeno, afirma que "al demostrar todo el proceso desde la generación de hidrógeno hasta la separación en la escala más grande del mundo, la realización de un  solar El sistema basado en la reacción de separación del agua utilizando fotocatalizadores en polvo se ha vuelto más realista y será mejor entendido por el público en general ".

El fotocatalizador de este estudio utiliza luz ultravioleta. Se necesitará un fotocatalizador sensible a la luz visible altamente eficiente con un nivel de practicidad del 5% o mayor eficiencia de conversión de energía solar para su implementación en el mundo real. 

El grupo también está trabajando para reducir el costo y expandir la escala del panel  El reactor de panel actual es robusto, pero es necesario desarrollar un reactor económico que se pueda producir en masa manteniendo la durabilidad y la seguridad. Es necesario mejorar el rendimiento de separación y la eficiencia energética del proceso de separación de gas porque la membrana de separación utilizada estaba lista para usar y no se diseñó para este módulo de separación de gas. 

El rendimiento de separación del hidrógeno del  El gas mezclado de oxígeno no fue suficiente. El proceso de separación no tiene precedentes, por lo que no hay un ejemplo comparativo, lo que significa que todavía hay margen de mejora.

Más información: Hiroshi Nishiyama et al, Photocatalytic solar hydrogen production from water on a 100 m2-scale, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03907-3

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