Convertir las fluctuaciones de temperatura en energía limpia con nanopartículas y una estrategia de calentamiento novedosas
La catálisis piroeléctrica (pirocatálisis) puede convertir las fluctuaciones de temperatura ambiental en energía química limpia, como el hidrógeno. Sin embargo, en comparación con la estrategia de catálisis más común, como la fotocatálisis, la pirocatálisis es ineficiente debido a los lentos cambios de temperatura en el ambiente. Recientemente, un equipo codirigido por investigadores de la City University de Hong Kong (CityU) ha desencadenado una reacción pirocatalítica mucho más rápida y eficaz utilizando fuentes de calor plasmónicas localizadas para calentar rápida y eficazmente el material pirocatalítico y dejar que se enfríe. Los hallazgos abren nuevas vías de catálisis eficiente para aplicaciones biológicas, tratamiento de contaminantes y producción de energía limpia.
Ilustración de las aplicaciones potenciales de la combinación de materiales piroeléctricos y el efecto termoplasmónico localizado de nanomateriales de metales nobles.
Dr Lei Dangyuan’s group / City University of Hong Kong
La pirocatálisis se refiere a la catálisis desencadenada por cargas superficiales en materiales piroeléctricos inducidas por fluctuaciones de temperatura. Se trata de una técnica de catálisis ecológica y autoalimentada, que aprovecha la energía térmica residual del medio ambiente. Ha atraído cada vez más atención en la producción de energía limpia y la generación de especies reactivas de oxígeno, que pueden utilizarse además para la desinfección y el tratamiento de tintes.
Sin embargo, la mayoría de los materiales piroeléctricos disponibles en la actualidad no son eficientes si la temperatura ambiente no cambia mucho a lo largo del tiempo. Como la tasa de cambio de la temperatura ambiental suele ser limitada, una forma más viable de aumentar la eficiencia pirocatalítica es aumentar el número de ciclos de temperatura. Pero es un gran reto conseguir múltiples ciclos térmicos en el pirocatalizador en un intervalo de tiempo corto utilizando métodos de calentamiento convencionales.
El reto de los ciclos térmicos múltiples
Un equipo de investigación codirigido por el Dr. Lei Dangyuan, profesor asociado del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE) de CityU, ha superado recientemente este obstáculo utilizando una novedosa estrategia de combinación de materiales piroeléctricos y el efecto termoplasmónico localizado de nanomateriales de metales nobles.
Las nanoestructuras plasmónicas, que soportan la oscilación colectiva de electrones libres, pueden absorber la luz y convertirla rápidamente en calor. Su tamaño a nanoescala permite cambios de temperatura rápidos pero efectivos dentro de un volumen confinado, sin pérdidas significativas de calor al entorno circundante. Por consiguiente, el calor localizado generado por las nanoestructuras termoplasmónicas puede ajustarse fácilmente y activarse o desactivarse mediante irradiación luminosa externa en un intervalo de tiempo ultracorto.
En sus experimentos, el equipo seleccionó un material pirocatalítico típico, las nanopartículas de titanato de bario (BaTiO3). Las nanopartículas de BaTiO3 con forma de coral están decoradas con nanopartículas de oro como fuentes de calor plasmónicas; las nanopartículas de oro pueden convertir los fotones directamente de un láser pulsado en calor. Los resultados del experimento demostraron que las nanopartículas de oro actúan como una fuente de calor localizada rápida, dinámica y controlable sin elevar la temperatura circundante, lo que aumenta de forma prominente y eficiente la velocidad de reacción pirocatalítica global de las nanopartículas de BaTiO3.
Nanopartículas de oro como fuente de calor localizada
Gracias a esta estrategia, el equipo consiguió una elevada tasa de producción de hidrógeno pirocatalítico, acelerando el desarrollo de la aplicación práctica de la pirocatálisis. Los nano-reactores piroeléctricos plasmónicos demostraron una tasa acelerada de producción piro-catalítica de hidrógeno de aproximadamente 133,1±4,4µmol-g-1-h-1 a través del calentamiento y enfriamiento local termo-plasmónico bajo la irradiación de un láser de nanosegundos a la longitud de onda de 532nm.
Además, la tasa de repetición del láser de nanosegundos utilizado en el experimento fue de 10 Hz, lo que significa que se irradiaron 10 pulsos de luz sobre el catalizador por segundo para conseguir 10 ciclos de calentamiento y enfriamiento. Esto implica que, aumentando la frecuencia de repetición de los pulsos láser, se podría mejorar el rendimiento piroeléctrico del catalizador en el futuro.
El equipo de investigación cree que los resultados de sus experimentos han abierto un nuevo enfoque para mejorar la pirocatálisis mediante el diseño de un innovador sistema piroeléctrico compuesto con otros materiales fototérmicos. Este avance sustancial hará más factible la futura aplicación de la pirocatálisis en el tratamiento de contaminantes y la producción de energía limpia.
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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