Nuevo nanocompuesto de hidrogel para la producción masiva de hidrógeno
"Este estudio supone un gran avance en el campo de la fotocatálisis y muestra el potencial de la producción ecológica de hidrógeno en el mar con un rendimiento de categoría mundial"
Un equipo de investigación dirigido por el profesor HYEON Taeghwan en el Centro de Investigación de Nanopartículas del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) de Seúl (Corea del Sur) ha desarrollado una nueva plataforma fotocatalítica para la producción masiva de hidrógeno. El estudio del grupo sobre la plataforma fotocatalítica condujo al desarrollo de una matriz fotocatalítica flotable, que permite una reacción eficiente de evolución del hidrógeno con claras ventajas sobre las plataformas convencionales de producción de hidrógeno, como las de tipo película o panel.
Las plataformas fotocatalíticas flotantes presentan claras ventajas en la reacción de evolución del hidrógeno, en términos de suministro eficaz de luz, separación fácil de gases, tensión superficial mejorada, inmovilización estable del catalizador, supresión de la retrooxidación (reacción inversa) y suministro fácil de agua.
Institute for Basic Science
A. Las plataformas fotocatalíticas flotantes se componen de estructuras bicapa, una capa fotocatalítica y una capa de soporte. B. La estructura porosa de la plataforma. C. La estructura porosa de la plataforma presenta flotabilidad.
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La importancia de las energías alternativas ha aumentado recientemente debido a retos globales como la contaminación ambiental y el cambio climático. Entre los diversos candidatos a fuentes de energía alternativas, la energía del hidrógeno obtenida por fotocatálisis destaca especialmente por su producción sostenible de energía verde. En consecuencia, se ha investigado y desarrollado mucho para mejorar la eficiencia intrínseca de reacción de los fotocatalizadores. Sin embargo, la investigación sobre el factor de forma de los sistemas fotocatalíticos, que es fundamental para su aplicación práctica y comercialización, aún no se ha explorado activamente.
Por lo general, los sistemas actuales fijan el polvo o las nanopartículas de catalizador en diferentes superficies, como plataformas de tipo lámina de partículas, de tipo película y de tipo panel plano, que se sumergen bajo el agua. También se enfrentan a problemas prácticos como la lixiviación de los catalizadores, la escasa transferencia de masa y las reacciones inversas. Además, requieren dispositivos adicionales para separar y recoger el hidrógeno generado del agua, lo que aumenta la complejidad del dispositivo e incrementa los costes.
El equipo del Centro de Investigación de Nanopartículas del IBS, dirigido por el profesor Hyeon, diseñó un nuevo tipo de plataforma fotocatalítica que flota en el agua para producir hidrógeno de forma eficiente. Esta nueva plataforma tiene una estructura bicapa, que consta de una capa fotocatalítica superior y una capa de soporte inferior. Ambas capas están compuestas por un polímero estructural poroso que dota a la plataforma de una alta tensión superficial. Además, la plataforma está fabricada en forma de crio aerogel, una sustancia sólida llena de gas en su interior, que presenta una baja densidad. Como resultado, este elastómero-hidrogel incrustado con fotocatalizadores puede flotar en el agua.
Esta plataforma presenta claras ventajas en la reacción fotocatalítica de evolución del hidrógeno: en primer lugar, se evita la atenuación de la luz por el agua, lo que da lugar a una conversión eficiente de la energía solar. En segundo lugar, el producto, el hidrógeno gaseoso, puede difundirse fácilmente en el aire, evitando las reacciones de oxidación inversa y conservando un alto rendimiento de la reacción. En tercer lugar, el agua puede llegar fácilmente a los catalizadores situados dentro de la matriz de elastómero-hidrogel debido a su porosidad. Por último, los catalizadores se inmovilizan de forma estable en el interior de la matriz para un funcionamiento a largo plazo sin problemas de lixiviación.
Los investigadores demostraron experimentalmente que el rendimiento de la plataforma flotante es superior al de la plataforma sumergida convencional. Además, también se demostró la escalabilidad de la plataforma, esencial para su posible industrialización, bajo luz solar natural. Se confirmó que la plataforma fotocatalítica flotante puede producir unos 80 mL de hidrógeno utilizando catalizadores de un átomo de cobre y titania con un área de 1m2. Incluso tras dos semanas de funcionamiento en agua de mar con diversos microorganismos y materia flotante, el rendimiento de la plataforma en cuanto a evolución del hidrógeno no se vio comprometido.
El profesor Kim afirma: "La plataforma propuesta puede incluso producir hidrógeno a partir de soluciones que disuelven residuos domésticos, como botellas de tereftalato de polietileno. En consecuencia, la plataforma puede ser una solución para reciclar residuos, lo que contribuye a una sociedad respetuosa con el medio ambiente."
Cabe destacar que este estudio presenta una plataforma generalizada de fotocatálisis eficiente que no se limita a la producción de hidrógeno. Es posible sustituir el componente catalítico para diversos usos deseados, sin cambiar las propiedades del material de aerogel flotante de la plataforma general. Esto garantiza la amplia aplicabilidad de la plataforma a otras reacciones fotocatalíticas, como la reacción de evolución del oxígeno, la producción de peróxido de hidrógeno y la generación de diversos compuestos orgánicos.
"Este estudio supone un gran avance en el campo de la fotocatálisis y muestra el potencial de la producción ecológica de hidrógeno en el mar con un rendimiento de categoría mundial. Las características distintivas del material, su alto rendimiento y su amplia aplicabilidad en el campo de la fotocatálisis de nuestra plataforma abrirán sin duda un nuevo capítulo en las energías alternativas", señaló el profesor Hyeon.
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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