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Dec 22, 2023

Sol

En los últimos años se han logrado avances significativos hacia la producción de electricidad a partir de energías renovables. Sin embargo, la producción de combustibles químicos, que actualmente representan alrededor del 80% de la

En los últimos años se han logrado avances significativos hacia la producción de electricidad a partir de energías renovables. Sin embargo, la producción de combustibles químicos, que actualmente representan alrededor del 80% de la energía que consumimos (AIE, World Energy Balances, 2020), a partir de energías renovables es más desafiante. El desarrollo de métodos verdes de producción de combustibles químicos, donde la energía renovable se almacena en enlaces químicos, como los hidrocarburos y el hidrógeno, es fundamental como forma de amortiguar las energías intermitentes (como la eólica y la solar), clave para apoyar el crecimiento nacional o internacional. transporte de energía y útil para suministrar energía a lugares remotos o descentralizados.

Para afrontar este desafío, Sun-To-X ha recibido financiación del programa Horizonte 2020 de la Unión Europea y es un consorcio de nueve socios formado por organizaciones de investigación y tecnología (RTO), industrias y pequeñas y medianas empresas (PYME). El proyecto comenzó en septiembre de 2020 y está previsto que concluya en febrero de 2024.

El proyecto Sun-To-X tiene como objetivo explorar una nueva cadena de valor para el almacenamiento de energía química (Fig. 1). Como primer paso, la energía solar se utiliza para producir hidrógeno a partir de la humedad ambiental o de la lluvia, como materia prima de agua. Luego, este hidrógeno se hace reaccionar mediante un proceso termoquímico con un precursor reciclable a base de óxido de silicio para formar HydroSil, un combustible líquido libre de carbono, no tóxico y de gran densidad energética, que puede aplicarse directamente en los sectores del transporte y la energía.

La molécula HydroSil es estable durante más de un año, lo que la hace adecuada para el almacenamiento a largo plazo de energía renovable. Luego exploramos otro uso de HydroSil en la despolimerización reductiva de residuos de plástico hacia el desarrollo de una economía circular. Para todos los procesos de esta cadena de valor, el consorcio se ha centrado en el uso de materiales abundantes para minimizar su impacto ambiental.

El proyecto tiene los siguientes objetivos técnicos clave:

Estos objetivos contribuyen a los objetivos de la Unión Europea y la Misión Innovación para el desarrollo económico y la mejora de la seguridad energética mediante la construcción de un sistema energético sostenible.

El hidrógeno solar se puede producir a partir de diversas tecnologías, incluida la combinación de paneles fotovoltaicos y electrolizadores (PV-E), que ya se comercializan a pequeña escala. Sin embargo, los desafíos en el costo de producción del hidrógeno solar han impulsado el desarrollo de tecnologías alternativas, como los enfoques fotoelectroquímicos. Las tecnologías fotoelectroquímicas combinan las funcionalidades de absorción de luz y electrodos en un solo componente: fotoelectrodo semiconductor. La realización de estos sistemas más integrados podría resultar en un menor costo de la futura producción de hidrógeno solar (Shaner et al., Energy Environmental Science, 2016). Nuestros objetivos apuntan a desarrollar un dispositivo con una eficiencia del 10% de energía solar a hidrógeno.

La mayor parte de la investigación sobre tecnologías fotoelectroquímicas se ha centrado en el uso de agua líquida como materia prima. El uso de la humedad ambiental como alternativa es una opción cada vez más investigada para ampliar la aplicabilidad geográfica del dispositivo y resolver problemas técnicos como la formación de burbujas (que pueden dispersar la luz y bloquear los sitios catalíticos) y el reflejo de la luz en la superficie del agua. La diferencia del componente clave entre utilizar una fuente de agua en fase líquida y gaseosa es el uso de fotoelectrodos porosos para permitir que la humedad ingrese al dispositivo, mientras que en el caso de la fase líquida se puede usar un fotoelectrodo de película delgada. Además, se requiere el uso de un electrolito sólido absorbente de agua como Nafion para la reacción en fase gaseosa, para poner la humedad en contacto con el fotoelectrodo.

Idealmente, los fotoelectrodos se colocarían en una configuración llamada tándem, donde el fotoánodo y el fotocátodo absorben cada uno una porción diferente del espectro solar (es decir, luz azul y roja), con nuestra estructura de dispositivo objetivo mostrada en la Fig. 2, para maximizar la eficiencia de la energía solar al hidrógeno. Esto supone un desafío cuando se utiliza la configuración en fase gaseosa, ya que para transferir la carga de forma eficaz, el fotoelectrodo debe depositarse sobre un soporte conductor de carga. En el caso de fotoelectrodos planos, se pueden utilizar paneles de vidrio recubiertos de óxido de estaño dopado con flúor (FTO), que es a la vez conductor y transparente, lo que permite que la luz pase hasta el segundo fotoelectrodo. Sin embargo, los soportes conductores porosos o las capas de difusión de gas se preparan normalmente a partir de carbono o metales (como el titanio) que son completamente opacos. Actualmente, los desafíos en la escalabilidad y estabilidad de los sistemas fotoelectroquímicos significan que el nivel de preparación tecnológica (TRL) de estos sistemas en tándem es actualmente tres (funcional en configuración de laboratorio). Durante el alcance del proyecto, el objetivo es aumentar el TRL a cinco (demostración en un entorno relevante).

Superar este desafío es uno de los resultados clave del proyecto Sun-To-X, concretamente el desarrollo de capas transparentes de difusión de gas mediante una técnica de preparación escalable, presentada recientemente como patente y publicada en Advanced Materials (M Caretti et al., 2023). Las primeras fibras de cuarzo se formaron mezclando lana de cuarzo comercial. Las fibras resultantes se prensaron hasta formar una oblea con una porosidad de alrededor del 90% y se recocieron para fusionar las fibras de cuarzo. Se aplicó una capa de FTO mediante un proceso de deposición química de vapor. El electrodo de difusión de gas resultante tenía una conductividad similar a las capas de difusión de gas disponibles comercialmente y una transmitancia de >30% (Fig. 3). Esto nos permitió pasar a la siguiente fase del proyecto: preparación de métodos de deposición de semiconductores sobre soportes porosos.

Dado que las técnicas de deposición de películas finas no nos habrían permitido recubrir la totalidad de la estructura porosa, tuvimos que centrarnos en técnicas que permitieran una deposición homogénea dentro de los poros. Hemos desarrollado una variedad de técnicas para diversos materiales semiconductores tanto para el fotoánodo (BiVO4 por electrodeposición y Fe2O3 por deposición en baño químico) como para el fotocátodo (Cu2O por electrodeposición y polímeros conjugados por inmersión). El proceso de deposición de semiconductores fue seguido por la deposición electrocatalizadora de una capa protectora inorgánica (si fuera necesario), para acelerar la cinética de la reacción electroquímica y finalmente la deposición de la capa absorbente de agua: Nafion.

Nuestros primeros resultados para la producción de H2 en fase gaseosa se demostraron con un conjunto de membrana de fotocátodo semiconductor de polímero conjugado que dio como resultado una densidad de fotocorriente del orden de 1 mA cm-2 (consistente con alrededor de 1,3% de eficiencia solar a hidrógeno). En comparación, el mismo fotocátodo alcanzó alrededor de 5 mA cm-2 cuando se midió en fase líquida. Por lo tanto, ahora nos estamos centrando en cómo mejorar el transporte de agua dentro del fotoelectrodo mediante estudios experimentales y de simulación.

HydroSil es un producto químico a base de hidruro de silicio desarrollado por HySiLabs, uno de los socios del proyecto. Las moléculas de hidruro de silicio son una solución atractiva para el almacenamiento de energía a través de enlaces Si-H, debido a su alta capacidad de almacenamiento de energía. Dependiendo de su estructura molecular, los hidruros de silicio pueden estar en estado gaseoso, líquido o sólido a temperatura y presión ambiente, sin embargo, la forma líquida es la más interesante para el transporte y almacenamiento de energía, ya que puede aprovechar las infraestructuras existentes.

Se han investigado varias moléculas de hidruro de silicio líquido para el almacenamiento de energía. Sin embargo, de las moléculas conocidas, el tetrasililmetano, el fenilsilano y el metilhidrosiloxano se descomponen con emisiones de CO2 y el pentasilano es pirofórico (se enciende espontáneamente en el aire), lo que plantea problemas de seguridad. En comparación, HydroSil solo libera hidrógeno durante el proceso de liberación de energía, lo que simplifica el proceso de reciclaje y es tan seguro como los combustibles líquidos convencionales. La reacción química para liberar hidrógeno de HydroSil es simple, rápida y solo requiere agua y un catalizador.

Si bien el proceso de liberación de hidrógeno de HydroSil ya está bien establecido, Sun-To-X se ha centrado en el desarrollo de un proceso de carga eficiente y rentable. Durante el transcurso del proyecto, se evaluaron más de 400 reacciones químicas en términos de eficiencia energética y se diseñó un proceso de tres pasos para formar HydroSil para minimizar el costo y el consumo de energía. Se ha diseñado un receptor solar que utiliza irradiación solar concentrada para calentar el aire, que se utiliza para calentar los reactores de proceso. Actualmente, HySiLabs está buscando formas de optimizar el rendimiento general del proceso de síntesis de HydroSil.

Impulsada por la demanda de los consumidores, la producción mundial de plástico alcanzó los 365 millones de toneladas en 2020 (Plastics – the Facts 2020 An Analysis of European Plastics Production, Demand and Waste Data) y, con tasas de reciclaje tan bajas como el 35% en la Unión Europea (Plastics – the Hechos 2021 Un análisis de los datos de producción, demanda y residuos de plásticos en Europa), gran parte de este plástico está llegando al medio ambiente.

Además de esto, el reciclaje de plástico convencional utiliza un proceso de reciclaje mecánico en el que el plástico se muele en pequeños trozos y se vuelve a moldear. El acortamiento de la longitud del polímero durante el proceso de molienda, junto con la incapacidad de eliminar impurezas, como tintes o plastificantes, da como resultado un "proceso de ciclo descendente", en el que el uso del plástico se limita a determinadas aplicaciones, como muebles de exterior.

Por lo tanto, los químicos han buscado procesos de reciclaje químico, como la despolimerización reductiva. Este método es aplicable a plásticos, como tereftalato de polietileno (PET), policaprolactona (PCL), ácido poliláctico (PLA), carbonato de polipropileno (PPC) y poliuretano (PU), donde los monómeros están unidos mediante enlaces CO. Durante la despolimerización, los enlaces de CO entre cada monómero se rompen mediante una reacción reductora, lo que da como resultado una solución de monómero de la que se pueden eliminar fácilmente las impurezas para volver a formar un plástico virgen de alto valor. Alternativamente, la reactividad se puede ajustar para reducir los monómeros a otros materiales de alto valor, como los hidrocarburos, como investigamos en el proyecto Sun-To-X, en particular la despolimerización reductora de PCL a hexano (Fig.5).

Las moléculas que contienen enlaces Si-H son particularmente prometedoras para la despolimerización reductiva de plásticos con un desarrollo significativo en la catálisis que puede permitir que estas reacciones se desarrollen a temperatura y presión ambiente o casi ambiental. Sin embargo, uno de los desafíos ha sido la falta de reciclabilidad de las moléculas que contienen Si-H. Una vez que se les ha agotado el hidrógeno, las moléculas deben volver a sintetizarse a partir de nuevos materiales de partida. HydroSil ofrece una alternativa interesante a las moléculas convencionales de Si-H, ya que después de su uso se puede recargar con hidrógeno y volver a utilizar para el mismo proceso. El proyecto Sun-To-X propone este método para utilizar la reactividad del Si-H de una manera que sea compatible con una economía circular y tenga el potencial de ser económicamente viable.

El objetivo del proyecto ha sido desarrollar catalizadores que puedan catalizar la despolimerización de PCL a hexano con un alto rendimiento utilizando HydroSil. Mediante la optimización de las condiciones de reacción, nuestros estudios han demostrado que el uso de un catalizador de tris (pentafluorofenil) borano (BCF) a temperatura ambiente da como resultado la formación de hexano con un rendimiento del 68 %. Además, calentar la mezcla de reacción a 60°C da como resultado un impresionante rendimiento de hexano del 85%. También hemos podido demostrar la conversión de otros plásticos en hidrocarburos, por ejemplo, PLA en propano y PPC en propano y metano utilizando el mismo catalizador BCF.

Mission Innovation participó en la redacción de la convocatoria que resultó en la concesión del proyecto Sun-To-X y hemos colaborado con ellos durante todo el proyecto. Mission Innovation es una iniciativa global que cataliza una década de acción e inversión en investigación, desarrollo y demostración para hacer que la energía limpia sea asequible, atractiva y accesible para todos a través del fomento del debate y la colaboración entre varios países.

Su objetivo es acelerar el progreso hacia los objetivos del Acuerdo de París y los caminos hacia el cero neto. Sun-To-X organizó un evento conjunto con Mission Innovation en 2021 (un taller sobre proyectos globales de Mission Innovation para identificar oportunidades de colaboración y discutir hojas de ruta regionales) y planea organizar un evento de seguimiento en 2023. Para obtener más detalles, consulte para obtener actualizaciones en nuestro sitio web, LinkedIn y páginas de Twitter.

El proyecto Sun-To-X contribuye al desarrollo de la síntesis energéticamente eficiente de combustibles líquidos alternativos para su uso en el transporte y el almacenamiento de energía. Seguimos trabajando para optimizar la eficiencia de nuestros procesos y demostrar nuestra cadena de valor al final del proyecto. Se espera que los resultados del proyecto construyan un futuro sostenible para la mitigación del cambio climático.

Este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea bajo el acuerdo de subvención 883264.

Tenga en cuenta que este artículo también aparecerá en la decimotercera edición de nuestra publicación trimestral.

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