Fotocatálisis: la revolución de la nanoesponja
Al crear una estructura de agujeros en forma de esponja a escala nanométrica que permite el paso de pequeñas moléculas, se logró una reactividad química récord
Los catalizadores suelen ser materiales sólidos cuya superficie entra en contacto con gases o líquidos, lo que permite determinadas reacciones químicas. Sin embargo, esto significa que los átomos del catalizador que no están en la superficie no sirven para nada. Por eso es importante producir materiales extremadamente porosos, con la mayor superficie posible por cada gramo de material catalizador.
Impresión artística del proceso catalítico
TU Wien
Científicos de la Universidad Técnica de Viena, junto con otros grupos de investigación, han desarrollado un nuevo método para producir estructuras esponjosas altamente activas con una porosidad a escala nanométrica. El avance decisivo se logró mediante un proceso de dos pasos: se utilizan marcos metal-orgánicos (MOF), que ya contienen muchos agujeros diminutos. A continuación, se crea otro tipo de agujeros: estos agujeros artificiales sirven de camino de alta velocidad para las moléculas. Esto permitió batir los anteriores récords de actividad en la división del agua en hidrógeno y oxígeno. Los resultados se han publicado ahora en la revista Nature Communications.
Una esponja a escala nanométrica
"Los marcos metal-orgánicos son una clase apasionante de materiales multifuncionales", afirma Shaghayegh Naghdi, autor principal del estudio. "Se componen de diminutos grupos de metal-oxígeno que se unen con pequeñas moléculas orgánicas en redes híbridas muy porosas. En el exterior vemos un material sólido, sin embargo, en la nanoescala tiene mucho espacio abierto que ofrece las mayores superficies específicas conocidas, de hasta 7000m2 por gramo".
Estas características recomiendan el uso de los MOF en la separación y el almacenamiento de gases, la purificación del agua y el suministro de fármacos. Además, la proximidad a escala atómica de los compuestos moleculares con distintas propiedades químicas, electrónicas y ópticas los convierte también en candidatos prometedores para la fotocatálisis y la electrocatálisis.
Un nuevo tipo de agujeros
"Hasta ahora, el mayor problema era que el diámetro de los poros intrínsecos es demasiado pequeño para un recambio catalítico eficiente", afirma el profesor Dominik Eder. "Estamos hablando de poros muy largos y extremadamente pequeños, de 0,5 a 1 nm de diámetro, que es más o menos el tamaño de muchas moléculas pequeñas. Las moléculas reactivas tardan en llegar a los sitios activos dentro de los MOF, lo que ralentiza considerablemente la reacción catalítica".
Para superar esta limitación, el grupo desarrolló un método que aprovecha la flexibilidad estructural de los MOF. "Incorporamos dos enlazadores orgánicos estructuralmente similares, pero químicamente diferentes, para crear marcos de ligandos mixtos", explica el Dr. Alexey Cherevan. "Debido a la diferente estabilidad térmica de los dos ligandos, pudimos eliminar uno de ellos de forma muy selectiva mediante un proceso llamado termólisis", dice Shaghayegh Naghdi. De este modo, se pueden añadir otros tipos de poros con un diámetro de hasta 10 nanómetros. Los nanoporos originales del material se complementan con poros interconectados "tipo fractura", que pueden actuar como una conexión de alta velocidad para las moléculas a través del material.
Seis veces más reactivo
El grupo del IMC ha colaborado con colegas de la Universidad de Viena y del Technion de Israel y ha utilizado una gran cantidad de técnicas experimentales y teóricas de vanguardia para caracterizar completamente los nuevos materiales, que también se probaron para la evolución fotocatalítica del H2. La introducción de poros de tipo fractura podría aumentar la actividad catalítica en la asombrosa cifra de 6 veces, lo que sitúa a estos MOF a la cabeza de los mejores fotocatalizadores actuales para la producción de hidrógeno.
Los mayores beneficios de la introducción de poros más grandes se esperan en las aplicaciones en fase líquida, sobre todo en lo que respecta a la adsorción, el almacenamiento y la conversión de moléculas más grandes, como por ejemplo en los campos de la administración de fármacos y el tratamiento de aguas residuales.
Este nuevo proceso también ofrece ventajas adicionales para las aplicaciones foto/electrocatalíticas: "La eliminación selectiva de los ligandos introduce sitios metálicos insaturados que pueden servir como centros de reacción catalítica adicionales o sitios de adsorción. Esperamos que estos sitios afecten al mecanismo de reacción y, por tanto, a la selectividad del producto en procesos catalíticos más complejos", explica el profesor Eder. El equipo está probando actualmente esta hipótesis con MOFs para la conversión fotocatalítica deCO2 en combustibles sostenibles y productos químicos básicos. La industria química también está interesada en estos catalizadores para contribuir a la posible sustitución de los procesos catalíticos térmicos, que exigen mucha energía, por procesos fotocatalíticos más ecológicos a bajas temperaturas y en condiciones ambientales.
El nuevo método es muy versátil y puede aplicarse a una gran variedad de estructuras y aplicaciones de MOF. "Dado que actualmente conocemos unos 99.000 MOFs sintetizados y estructuras de tipo MOF", dice Shaghayegh Naghdi, "realmente nos espera mucho trabajo en el futuro".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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