Los nanomateriales híbridos prometen un impulso a la sostenibilidad en múltiples industrias

01.11.2023

Los nanohíbridos a base de polioxometalato (POM) pueden suponer un cambio radical en la sostenibilidad de una gran variedad de industrias, pero la investigación sobre estas sustancias está en pañales. Un grupo de investigadores ha elaborado una revisión exhaustiva de los avances del sector y de los retos que aún quedan por superar.

Una nueva clase de materiales híbridos a nanoescala puede mejorar la sostenibilidad en sistemas energéticos, transporte, biosensores, purificación del agua e incluso impresión 3D, pero este campo es aún muy joven. Un grupo de investigadores ha elaborado una descripción detallada del estado actual de los nanohíbridos basados en polioxometalato (POM), trazando un camino para la investigación en este campo puntero de la ciencia de materiales.

En las últimas décadas ha surgido una nueva clase de materiales a nanoescala, o más sencillamente nanomateriales, en los que una sola unidad tiene dimensiones comprendidas entre 1 y 100 nanómetros. A esta escala, los materiales pueden presentar propiedades físicas, químicas y biológicas únicas y a menudo mejoradas que difieren de los materiales más masivos o "a granel". Por ejemplo, los materiales a nanoescala pueden tener una mayor relación superficie/volumen, lo que puede aumentar su reactividad y capacidad para catalizar (poner en marcha o acelerar) reacciones químicas.

Quizá el nanomaterial más conocido sea el grafeno, pero los nanomateriales pueden construirse a partir de una amplia gama de sustancias, como metales, semiconductores, cerámicas y polímeros. Más recientemente, los investigadores también han desarrollado nanohíbridos. Se trata de sustancias que combinan dos o más tipos diferentes de nanomateriales.

Los nanohíbridos a base de polioxometalato (POM) son de especial interés para los investigadores, sobre todo para los que buscan una producción industrial más sostenible, ya que tienen propiedades catalíticas únicas en las reacciones fotoelectroquímicas, que generan electricidad a partir de la luz o dividen el agua en hidrógeno y oxígeno producidos de forma limpia. Esto convierte a los nanohíbridos de POM en candidatos prometedores para una amplia gama de aplicaciones, como la conversión y el almacenamiento de energía limpia, así como sensores y componentes electrónicos que no dependen del uso de fuentes de energía sucias.

Los POM son una clase muy amplia de compuestos inorgánicos baratos y estables formados por iones metálicos, normalmente metales de transición como el wolframio o el molibdeno, unidos entre sí por átomos de oxígeno para formar una red tridimensional. Los POM suelen ser moléculas grandes y complejas que pueden tener formas y tamaños muy variados y presentan diversas propiedades interesantes y útiles.

"En los últimos años se ha producido una explosión de la investigación sobre nanohíbridos de POM, así que pensamos que era hora de hacer una pausa y elaborar un resumen de la situación actual para identificar posibles lagunas y controversias en la investigación", explica Guangjin Zhang, autor del artículo de revisión y químico del Laboratorio Clave de Ingeniería y Procesos Ecológicos de las Academias de Ciencias chinas.

Los artículos de revisión científica son una parte esencial del proceso científico, cuyo objetivo es resumir y evaluar críticamente el estado actual de los conocimientos sobre un tema concreto en un campo determinado de la ciencia, evaluar la calidad y fiabilidad de la bibliografía existente y sugerir futuras líneas de investigación.

Los autores de la revisión concluyen en ella que lo que hace tan atractivos a los POM es cómo pueden mejorar las propiedades catalíticas fotoelectroquímicas del material nanohíbrido resultante. Esto se debe a que los POM pueden actuar como aceptores y donantes de electrones, lo que les permite facilitar la transferencia de carga eléctrica y mejorar la eficacia de las reacciones pertinentes. Y lo que es aún mejor, los POM también pueden actuar como catalizadores, mejorando aún más las propiedades catalíticas del material nanohíbrido.

La revisión también explica la diferencia entre los nanohíbridos binarios y ternarios basados en POM: los primeros constan de dos materiales funcionales a nanoescala y los segundos de tres. Los nanohíbridos binarios combinan POM y un metal, POM y un semiconductor, o POM y un nanocarbono, mientras que los ternarios combinan un POM, un metal y un nanocarbono.

Los autores señalan que los nanohíbridos binarios se han estudiado ampliamente y han mostrado resultados prometedores en diversas aplicaciones, como la fotocatálisis, las pilas de combustible y los biosensores. Los nanohíbridos ternarios, por su parte, tienen el potencial de combinar las propiedades únicas de tres materiales distintos, lo que se traduce en una funcionalidad y versatilidad aún mayores.

Una de las áreas de investigación más prometedoras de los nanohíbridos basados en POM de ambos tipos es su uso en fotocatálisis, es decir, el uso de la luz para impulsar reacciones químicas. Los nanohíbridos de POM pueden mejorar la eficacia de las reacciones fotocatalíticas, lo que podría tener importantes aplicaciones en campos como la conversión de la energía solar y la recuperación del medio ambiente. Los nanohíbridos también pueden tener aplicaciones en pilas de combustible, que son dispositivos que convierten la energía química en energía eléctrica, como por ejemplo en el transporte impulsado por hidrógeno. Los nanohíbridos basados en POM pueden mejorar la eficiencia y durabilidad de las pilas de combustible.

Otro campo no relacionado con la energía sostenible en el que los nanohíbridos basados en POM resultan muy prometedores es su aplicación en biosensores, dispositivos que detectan y miden sustancias biológicas o químicas en una muestra mediante cambios en las señales eléctricas resultantes de reacciones bioquímicas. La elevada superficie de los nanohíbridos y su capacidad para inmovilizar biomoléculas, entre otras propiedades, los hacen especialmente adecuados para su uso en este tipo de dispositivos. Los investigadores ya han utilizado nanohíbridos basados en POM para desarrollar biosensores capaces de detectar con gran sensibilidad sustancias como la simazina y el peróxido de hidrógeno. Estos biosensores pueden utilizarse en una amplia gama de aplicaciones, desde el diagnóstico médico hasta la vigilancia medioambiental. Otras aplicaciones emergentes son la purificación del agua, los semiconductores y la impresión 3D.

Uno de los principales retos a los que se enfrentan los investigadores en este campo es que, si bien los nanohíbridos ternarios basados en POM ofrecen un rendimiento aún mayor, por el momento, la investigación aún está en pañales, con una comprensión más limitada de las propiedades y el comportamiento de los nanohíbridos ternarios. Sus aplicaciones potenciales aún se están explorando y puede haber retos relacionados con el desarrollo y la optimización de los nanohíbridos ternarios para aplicaciones específicas. Además, para todos los tipos de POM-nanohíbridos, la solubilidad de las moléculas de POM en los híbridos puede degradar su rendimiento como catalizadores. Su dispersión no uniforme sobre y en sustancias conductoras también sigue siendo un problema persistente, y cuando se combinan con metales u óxidos metálicos, el control del tamaño y la forma de las partículas es difícil.

Los autores sostienen que una mayor atención a los fundamentos de la relación entre la estructura de los híbridos y su actividad química ayudaría a superar estos obstáculos para ampliar sus aplicaciones, y piden una mayor cooperación entre distintas disciplinas para lograrlo.

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