Un nuevo fotocatalizador aumenta la eficacia de la división del agua para la producción limpia de hidrógeno
Por primera vez, investigadores de la Universidad Tecnológica de Tokio han optimizado un fotocatalizador sensibilizado por colorantes que facilita la actividad de división de agua solar más eficiente registrada hasta la fecha (para catalizadores similares). Su catalizador de nanoplanchas sensibilizadas con colorantes y modificadas en su superficie muestra un inmenso potencial, ya que puede suprimir la indeseable transferencia de electrones hacia atrás y mejorar la actividad de división del agua hasta cien veces.
Separación de agua mediante nanoplanchas de niobato sensibilizadas con colorantes y modificadas en su superficie: La modificación de la superficie con un aislante y un polímero aniónico mejoró la actividad de separación de agua hasta cien veces.
Kazuhiko Maeda from Tokyo Tech and Science Advances
Una de las formas más sencillas de dividir las moléculas de agua en hidrógeno es mediante el uso de fotocatalizadores. Estos materiales, que son semiconductores que pueden absorber la luz y llevar a cabo reacciones de división del agua simultáneamente, proporcionan una configuración sencilla para la producción masiva de hidrógeno. Los semiconductores pueden generar un par electrón-hueco para la reacción de división del agua; sin embargo, como los portadores de carga tienden a recombinarse, se ha desarrollado un sistema fotocatalítico de "esquema Z" que incluye dos materiales semiconductores y un mediador de electrones para suprimirlo.
En esta configuración, el mediador de electrones, que suele ser un par aceptor/donante de electrones reversible (como I3-/I-), acepta electrones de uno de los fotocatalizadores y los dona al otro. Esto separa los portadores de carga entre los semiconductores. A pesar de eliminar la recombinación de cargas dentro del semiconductor, la especie que acepta electrones (I3-) compite con el fotocatalizador de hidrógeno por los electrones, lo que da lugar a una escasa eficiencia de conversión de energía solar en hidrógeno.
Para mejorar la producción de hidrógeno, un equipo de investigadores internacionales, entre los que se encuentran el profesor asistente especialmente nombrado Shunta Nishioka y el profesor Kazuhiko Maeda, del Instituto Tecnológico de Tokio (Tokyo Tech), ha estado trabajando en formas de evitar la transferencia involuntaria de electrones. Al experimentar con fotocatalizadores de niobato sensibilizados con rutenio (Ru) (Ru/Pt/HCa2Nb3O10), los investigadores observaron que la producción de hidrógeno aumenta significativamente a bajas concentraciones de I3-. Estos hallazgos les llevaron a desarrollar un sistema eficiente de división de agua que consiste en un fotocatalizador de evolución de oxígeno y una nanoplancha de niobato sensibilizada por tintura de Ru modificada que funciona como un mejor fotocatalizador de evolución de hidrógeno. "Hemos mejorado con éxito la eficacia de un sistema global de división de agua con esquema Z utilizando un fotocatalizador de nanoplancha sensibilizada por tintes modificado en su superficie", afirma el profesor Maeda. Los resultados de su estudio se han publicado en la revista Science Advances.
Para mantener baja la concentración de I3- en el sistema de reacción, se utilizó un fotocatalizador de PtOx/H-Cs-WO3 como catalizador de evolución de oxígeno. Al mismo tiempo, se añade Al2O3 y poli(estirenosulfonato) (PSS) para suprimir la transferencia de electrones del semiconductor al complejo de Ru oxidado y al ion I3-, respectivamente. Este diseño permite que un mayor número de electrones participen en la reacción de evolución del hidrógeno, lo que da lugar al sistema de división de agua con esquema Z más eficiente hasta la fecha. "La modificación de la superficie del fotocatalizador de nanoplanchas sensibilizadas con colorantes mejoró la actividad de división del agua solar en casi 100 veces, haciéndola comparable a los sistemas fotocatalizadores convencionales basados en semiconductores", afirma el profesor Maeda.
Con la supresión de la transferencia de electrones hacia atrás, el fotocatalizador desarrollado también podría mantener la producción de hidrógeno a bajos niveles de luz, lo que le da una ventaja sobre otros fotocatalizadores que requieren altas intensidades de luz. Además, al minimizar el impacto de las reacciones de retrotransferencia de electrones, los investigadores no sólo han establecido un nuevo punto de referencia para los fotocatalizadores sensibilizados por colorantes para la división del agua en el esquema Z, sino que también han sentado las bases para mejorar otros sistemas sensibilizados por colorantes que se utilizan para otras reacciones importantes, como la reducción delCO2.
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