Conversión De La Luz Solar En Electricidad Iónica Para La Desalinización Solar Directa

La celda solar iónica puede proporcionar desalinización de agua a pedido

Esta es una interpretación de un artista del diseño de membrana bipolar para la generación de electricidad iónica. Crédito: William White

Los investigadores logran un progreso considerable hacia un dispositivo que convierte directamente la luz solar en electricidad iónica, lo que tiene implicaciones para la desalinización solar directa.

Las células solares modernas, que utilizan energía de la luz para generar electrones y huecos que luego se transportan de los materiales semiconductores a circuitos externos para uso humano, han existido de una forma u otra durante más de 60 años. Sin embargo, se ha prestado poca atención a la promesa de utilizar la luz para impulsar otro proceso de generación de electricidad: el transporte de protones e hidróxidos con carga opuesta obtenidos al disociar moléculas de agua. Investigadores en Estados Unidos informaron sobre este diseño, que tiene una aplicación prometedora en la producción de electricidad para convertir el agua salobre en potable, el 15 de noviembre en la revista Joule.

Los investigadores, dirigidos por el autor principal Shane Ardo, profesor asistente de química, ingeniería química y ciencia de materiales en la Universidad de California, Irvine, escriben que han creado un “análogo iónico a la célula solar electrónica de unión pn”, aprovechando luz para aprovechar el comportamiento semiconductor del agua y generar electricidad iónica. Esperan utilizar un mecanismo de este tipo para fabricar un dispositivo que desalaría directamente el agua salada al exponerse a la luz solar.

“Hubo otros experimentos que datan de la década de 1980 que fotoexcitaron materiales para hacer pasar una corriente iónica a través de ellos, y los estudios teóricos dijeron que esas corrientes deberían poder alcanzar los mismos niveles que sus análogos electrónicos, pero ninguno de ellos funcionó en todos. así de bien ”, dice el primer autor William White, un estudiante graduado del grupo de investigación de Ardo.

En este caso, los investigadores lograron más éxito al permitir que el agua penetrara a través de dos membranas de intercambio iónico, una que transportaba principalmente iones cargados positivamente (cationes) como protones y otra que transportaba principalmente iones cargados negativamente (aniones) como hidróxidos, funcionando como un par de puertas químicas para lograr la separación de carga. Al iluminar el sistema con un láser, las moléculas de colorante orgánico sensibles a la luz unidas a la membrana liberaron protones, que luego se transportaron al lado más ácido de la membrana y produjeron una corriente iónica medible y voltajes de más de 100 mV en algunos casos (60 mV de media).

Nuevos diseños de membranas para la generación de electricidad iónica

Resumen de diseños de membranas para generación de electricidad iónica. Crédito: Ardo et al.

A pesar de cruzar el umbral de fotovoltaje de 100 mV en ocasiones, el nivel de corriente eléctrica que puede alcanzar el sistema de doble membrana sigue siendo su principal limitación. El fotovoltaje debería aumentarse en más de otro factor de dos para alcanzar la marca de ~ 200 mV necesaria para desalinizar el agua de mar, un objetivo que los investigadores son optimistas acerca de alcanzar.

“Todo se reduce a la física fundamental de cuánto tiempo persisten los portadores de carga antes de recombinarse para formar agua”, dice Ardo. “Al conocer las propiedades del agua, podemos diseñar de manera más inteligente una de estas interfaces de membrana bipolar para que podamos maximizar el voltaje y la corriente”.

A largo plazo, la desalinización es solo una posible aplicación de la bomba de protones sintética impulsada por luz desarrollada por los investigadores. También podría tener potencial para interactuar con dispositivos electrónicos, o incluso para alimentar señales en interfaces cerebro-máquina y otras “células cyborg” que combinan tejido vivo y circuitos artificiales, una función que no pueden cumplir las células solares tradicionales, que son inestables en sistemas biológicos.

“Hemos tenido muchas ideas sobre para qué se podría utilizar esta tecnología; es solo una cuestión de aprender lo suficiente para cruzar entre campos y hacer que el dispositivo funcione para las aplicaciones previstas ”, dice Ardo. “Creo que este es solo otro ejemplo de lo que puede hacer cuando tiene científicos que están capacitados en muchas disciplinas y piensan fuera de la caja”.

Publicación: William White, et al., “Conversión de luz visible en energía iónica usando membranas de intercambio iónico bipolares sensibilizadas con colorante fotoácido”, Joule, 2017; DOI: 10.1016 / j.joule.2017.10.015

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