Nuevos catalizadores para la producción de hidrógeno solar
Investigadores de la Universidad Técnica de Viena están desarrollando un fotocatalizador estratificado que puede utilizarse para producir hidrógeno a partir del agua con gran eficacia
Encontrar combustibles sostenibles y limpios es crucial en la actual crisis energética y climática mundial. Un candidato prometedor que cada vez cobra más relevancia es el hidrógeno. Sin embargo, la producción industrial actual de hidrógeno sigue teniendo una huella deCO2 considerable, sobre todo si se tienen en cuenta procesos como el reformado con vapor o la electrólisis no sostenible.
Por ello, un equipo dirigido por el profesor Dominik Eder, del Instituto de Química de Materiales (TU Wien), se centra en el desarrollo de procesos respetuosos con el medio ambiente para obtener hidrógeno, por ejemplo mediante fotocatálisis. Este proceso permite convertir moléculas de agua en hidrógeno con la única ayuda de la luz y un catalizador. Mediante este proceso, la abundante y limpia energía del sol puede almacenarse en los enlaces químicos de este llamado combustible solar. Los resultados se han publicado recientemente en la revista científica "Advanced Energy Materials".
Nuevos fotocatalizadores
En la producción de hidrógeno verde por fotocatálisis, el catalizador desempeña un papel crucial. A diferencia de los catalizadores industriales, un fotocatalizador utiliza la energía de la luz para facilitar la división del agua a temperatura ambiente y presiones ambientales. Entre los candidatos más prometedores se encuentran los marcos metalorgánicos, denominados MOF. Están formados por unidades moleculares inorgánicas unidas por moléculas orgánicas. Juntas, forman redes tridimensionales muy porosas que tienen una superficie excepcionalmente grande y excelentes propiedades de separación de cargas.
Sin embargo, la mayoría de los MOF sólo son activos bajo irradiación de luz ultravioleta, por lo que la comunidad altera los compuestos orgánicos para hacerlos capaces de absorber la luz visible. Sin embargo, estas modificaciones influyen negativamente en la movilidad de los electrones. Otra limitación se refiere a la extracción de carga, en la que los electrones se desprenden del material: "Los MOF son excelentes separadores de portadores de carga en las interfaces orgánico-inorgánicas, pero su extracción eficaz para usos catalíticos sigue siendo un reto", explica Dominik Eder.
Recientemente, los MOF con estructuras en capas han llamado mucho la atención para su uso en aplicaciones optoelectrónicas, ya que presentan propiedades de extracción de carga muy mejoradas. "Puedes imaginarte estas estructuras en capas como un Manner Schnitte, donde el gofre es la parte inorgánica y el chocolate es el ligando orgánico que las mantiene unidas", ilustra Pablo Ayala, autor principal del estudio. "Sólo hace falta que la parte del gofre sea conductora".
Retos en la división del agua
A diferencia de los MOF tridimensionales, los MOF estratificados no suelen ser porosos, lo que reduce el área catalíticamente activa a la superficie externa de las partículas. "De ahí que tuviéramos que encontrar la forma de hacer estas partículas lo más pequeñas posible", explica Eder. Sin embargo, la nanoestructuración de materiales suele ir acompañada de la introducción de defectos estructurales. Estos pueden actuar como trampas de carga y ralentizar la extracción de cargas. "A nadie le gusta un Manner Schnitte al que le falte chocolate", prosigue Ayala con su comparación. "En el caso de la fotocatálisis, también necesitamos el mejor material posible que se pueda producir".
Por ello, el equipo de Dominik Eder desarrolló una nueva ruta de síntesis en la que incluso las estructuras cristalinas más pequeñas pueden producirse libres de defectos. Esto se consiguió en colaboración con universidades locales e internacionales. Los novedosos MOF estratificados se basan en el titanio y tienen una forma cúbica de unos pocos nanómetros de tamaño. El material ya ha sido capaz de alcanzar valores récord en la producción fotocatalítica de hidrógeno bajo la influencia de la luz visible.
Con la ayuda de simulaciones por ordenador realizadas en el Technion de Israel, el equipo pudo desentrañar el mecanismo de reacción subyacente y demostró dos cosas: En primer lugar, que la naturaleza estratificada del MOF es clave para la separación y extracción eficientes de la carga. En segundo lugar, que los defectos de ligando ausente actúan como trampas de carga no deseadas que deben evitarse en la medida de lo posible para mejorar el rendimiento fotocatalítico del material.
Actualmente, el grupo de investigación está diseñando nuevos MOF estratificados y explorándolos para diversas aplicaciones energéticas.
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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