Catalizando un futuro verde
Los materiales de estructura metálica y orgánica altamente modulares muestran un gran potencial para la producción de hidrógeno fotocatalítico
Un fotocatalizador de separación de agua basado en una estructura orgánica metálica (MOF), desarrollado en KAUST, ha llevado a los investigadores un paso más cerca de generar combustible de hidrógeno limpio utilizando la luz solar.
En el andamiaje del MOF, el enlazador orgánico (gris) actúa como antena de fotones; un electrón del enlazador se transfiere a la cadena metálica (rosa) y se utiliza para la producción de H2 a partir del agua.
© 2020 Nikita Kolobov
"Usar la energía solar para hacer eficientemente combustibles verdes es el objetivo final para muchos investigadores de catálisis", dice Jorge Gascón, director del Centro de Catálisis de KAUST, quien dirigió la investigación. Sin embargo, sigue siendo un desafío encontrar fotocatalizadores eficientes, de larga vida y bajo costo para la separación de agua.
En el equipo de Gascón, el objetivo es utilizar los MOF para encontrar materiales fotocatalíticos sostenibles de separación de agua. "Trabajamos con MOFs porque son como un juguete de construcción LEGO - tienes diferentes partes con las que puedes jugar y variar para obtener las propiedades deseadas", dice Nikita Kolobov, un miembro del equipo de la Gascona.
Los MOFs consisten en iones metálicos conectados por enlazadores orgánicos basados en el carbono en un conjunto bidimensional altamente regular y repetitivo. Variando el metal y el componente orgánico, se puede hacer una familia diversa de materiales. "Esta modularidad hace que los MOFs sean una excelente plataforma para desarrollar una comprensión fundamental de los procesos fotocatalíticos", dice Gascón. "Podemos evaluar nuevos conceptos en fotocatálisis que pueden ser difíciles o imposibles de desarrollar y evaluar usando otras clases de materiales".
Para su último trabajo, Gascón, Kolobov, Amandine Cadiau y sus colegas crearon un MOF que usaba iones de metal de titanio con H4TBAPy, un enlazador orgánico conocido por absorber energía de un amplio espectro de luz solar. Al combinar H4TBAPy con el titanio, el equipo se propuso crear un material que pudiera utilizar esa energía de manera eficiente.
El titanio en el MOF activado por la luz tenía los niveles de energía ideales para la parte de producción de hidrógeno de la fotocatálisis de separación de agua, mostró el equipo. "La parte orgánica del MOF actuó como una antena que recogía la luz y transmitía esa energía al nodo metálico, que lo activaba para realizar transformaciones catalíticas", dice Kolobov.
"Aunque la actividad de la reacción de evolución de hidrógeno del nuevo MOF fue modesta comparada con algunos semiconductores inorgánicos, su rendimiento ya está entre los mejores materiales MOF basados en titanio", dice Kolobov. "Los MOF están todavía en su infancia cuando se trata de aplicaciones fotocatalíticas", añade. "Creemos que el enfoque modular de su construcción ofrece posibilidades ilimitadas para mejorar el rendimiento, y estamos dando los primeros pasos en esta dirección".
"Cada paso para entender mejor cómo funcionan los catalizadores bajo la iluminación de la luz es importante", dice Gascón. "Nuestro principal objetivo en este momento es crear nuevas estructuras MOF capaces de realizar eficientemente la división general del agua."
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Publicación original
Cadiau, A., Kolobov, N., Srinivasan, S., Goesten, M.G., Haspel, H., Bavykina, A.V., Tchalala, M.R., Maity, P., Goryachev, A., Poryvaev, A.S., Eddaoudi, M., Fedin, M.V., Mohammed, O.F. & Gascon, J.; "A new titanium metal organic framework with visible-light responsive photocatalytic activity"; Angewandte Chemie International Edition; advance online publication, 21 April 2020.
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