Capas ultrafinas de óxido generan electricidad a partir de agua fluyendo
Hay muchas maneras de generar electricidad: baterías, paneles solares, turbinas de viento y presas hidroeléctricas, por nombrar algunos ejemplos. …. Y ahora el óxido.
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Una nueva investigación realizada por científicos de las Universidades de Caltech y Northwestern muestra que las películas delgadas de óxido -óxido de hierro- pueden generar electricidad cuando el agua salada fluye sobre ellas. Estas películas representan una forma completamente nueva de generar electricidad y podrían utilizarse para desarrollar nuevas formas de producción de energía sostenible.
Las interacciones entre los compuestos metálicos y el agua salada suelen generar electricidad, pero esto suele ser el resultado de una reacción química en la que uno o más compuestos se convierten en nuevos compuestos. Reacciones como estas son las que se producen en el interior de las baterías.
Por el contrario, el fenómeno descubierto por Tom Miller, profesor de química de Caltech, y Franz Geiger, profesor de química en Northwestern, no implica reacciones químicas, sino que convierte la energía cinética del agua salada que fluye en electricidad.
El fenómeno, el efecto electrocinético, se ha observado antes en películas delgadas de grafeno – hojas de átomos de carbono dispuestas en una red hexagonal – y es notablemente eficiente. El efecto es eficiente en alrededor de un 30 por ciento en la conversión de la energía cinética en electricidad. Como referencia, los mejores paneles solares tienen una eficiencia de solo un 20 por ciento.
“Un efecto similar se ha visto en algunos otros materiales. Puedes tomar una gota de agua salada y arrastrarla a través del grafeno y ver que se genera algo de electricidad”, dice Miller.
Sin embargo, es difícil fabricar películas de grafeno y escalarlas hasta tamaños utilizables. Las películas de óxido de hierro descubiertas por Miller y Geiger son relativamente fáciles de producir y escalables a tamaños más grandes, dice Miller.
Óxido de hierro para producir electricidad
“Es básicamente sólo óxido de hierro, por lo que es bastante fácil de fabricar en grandes áreas”, dice Miller. “Esta es una implementación más robusta de lo que se ve en el grafeno”.
Aunque el óxido se forma por sí solo en las aleaciones de hierro, el equipo necesitaba asegurarse de que se formara en una capa consistentemente fina. Para ello, utilizaron un proceso llamado deposición física de vapor (PVD), que convierte los materiales normalmente sólidos, en este caso el óxido de hierro, en un vapor que se condensa en una superficie deseada. La PVD les permitió crear una capa de óxido de hierro de 10 nanómetros de espesor, unas 10 mil veces más fina que un cabello humano.
Cuando tomaron ese hierro revestido de óxido y fluyeron soluciones de agua salada de diversas concentraciones sobre él, descubrieron que generaba varias decenas de milivoltios y varios microamperios por cm2.
“Para tener una idea, las placas que tienen un área de 10 metros cuadrados cada una generarían unos pocos kilovatios por hora… suficiente para un hogar estándar de los EE.UU.”, dice Miller. “Por supuesto, las aplicaciones menos exigentes, incluyendo los dispositivos de baja potencia en lugares remotos, son más prometedoras a corto plazo.”
El mecanismo detrás de la generación de electricidad es complejo, involucrando la adsorción y desorción de iones, pero esencialmente funciona así: Los iones presentes en el agua salada atraen electrones en el hierro bajo la capa de óxido. A medida que el agua salada fluye, también lo hacen esos iones, y a través de esa fuerza de atracción, arrastran los electrones del hierro junto con ellos, generando una corriente eléctrica.
Miller dice que este efecto podría ser útil en escenarios específicos donde hay soluciones salinas en movimiento, como en el océano o el cuerpo humano.
“Por ejemplo, la energía de las mareas, o las cosas que se mueven en el océano, como las boyas, podrían utilizarse para la conversión pasiva de energía eléctrica”, dice. “Y tenemos agua salada fluyendo en nuestras venas en pulsos periódicos. Eso podría ser usado para generar electricidad para alimentar los implantes”.
