En la actualidad, la mayor parte de la energía consumida por la población mundial se deriva del petróleo y otros recursos no renovables que están en peligro de agotarse en un futuro próximo. En consecuencia, el desarrollo de métodos de fotosíntesis artificial que utilizan fotocatalizadores para producir energía química (combustible de hidrógeno) a partir de la luz solar y el agua ha recibido mucha atención y se están llevando a cabo varios proyectos de investigación en esta área.

Durante la fotosíntesis artificial, oxígeno (O ₂ ) es producido por el fotocatalizador a través de la reacción de separación del agua. Trabajando con investigadores de la Universidad de Kanazawa, Universidad Shinshu y Universidad de Tokio, El profesor Onishi Hiroshi et al. de la Escuela de Graduados de Ciencias de la Universidad de Kobe desarrolló un método de evaluación de medidas que es capaz de detectar O ₂ 1000 veces más rápido que los métodos convencionales. Se espera que el método desarrollado a través de esta investigación se pueda utilizar para mejorar nuestra comprensión de los mecanismos de reacción detrás de la fotosíntesis artificial y contribuir al desarrollo de fotocatalizadores que podrían implementarse en el mundo real.

Se ha reconocido la importancia de hacer públicos estos resultados de investigación lo antes posible; el artículo publicado en la revista de la American Chemistry Society Catálisis ACS recibió un lanzamiento en línea avanzado el 29 de octubre, 2020.

Antecedentes de la investigación

Fotosíntesis artificial, que se puede utilizar para producir energía química (combustible de hidrógeno) a partir de la luz solar y el agua ha recibido mucha atención por su potencial para proporcionar una fuente de energía que no emite CO ₂ Los fotocatalizadores son el componente clave de la fotosíntesis artificial. El primer material fotocatalizador fue descubierto y desarrollado por investigadores japoneses en la década de 1970. y los científicos de todo el mundo se han esforzado continuamente por mejorar su eficiencia durante los últimos 50 años.

El estudio de investigación actual utilizó un titanato de estroncio (SrTiO ₃ ) fotocatalizador, que fue desarrollado originalmente por el profesor de contrato especial Domen Kazunari et al. de la Universidad de Shinshu (un investigador que contribuyó a este estudio). Como resultado de varias mejoras realizadas por el profesor asociado de Shinshu, HISATOMI Takashi et al. (también investigador colaborador), este material fotocatalítico logró el mayor rendimiento de reacción (es decir, la eficiencia de conversión de hidrógeno del agua mediante la iluminación con luz ultravioleta) del mundo. El último problema restante es mejorar la eficiencia de la generación de hidrógeno a partir del agua y la luz solar. en lugar de luz ultravioleta artificial. Superar este problema supondría el nacimiento del CO ₂ -tecnología de producción de combustible de hidrógeno libre que puede ser utilizada por la sociedad.

Sin embargo, Un factor que obstaculiza los esfuerzos para mejorar la eficiencia de conversión es la baja tasa de oxígeno que se produce a partir del agua cuando también se produce hidrógeno. Para generar hidrógeno (H2) a partir del agua (H2O) a través de la fotosíntesis artificial, debe tener lugar la siguiente reacción química:2H ₂ O → 2H ₂ + O ₂ . Aunque el objetivo es producir hidrógeno (que la sociedad puede utilizar como combustible) y no oxígeno, los principios de la química requieren que se produzca oxígeno a partir del agua al mismo tiempo para que se produzca hidrógeno.

Es más, el proceso de generar oxígeno es más complicado que el proceso de generar hidrógeno, lo que, en consecuencia, dificulta mejorar la eficiencia de la reacción (los átomos de oxígeno tomados de dos H ₂ Las partículas O deben adherirse unas a otras). Este es un cuello de botella que limita la conversión eficiente de hidrógeno a partir del agua utilizando la luz solar.

Una solución sería mejorar la eficiencia de la conversión de oxígeno del agua, sin embargo, esto no es un asunto sencillo. No se comprende bien cómo se genera el oxígeno a partir del agua (es decir, el mecanismo detrás de la reacción), por lo tanto, tratar de mejorar esta reacción es similar a trabajar en la oscuridad. Para arrojar luz sobre la situación, Esta investigación tuvo como objetivo desarrollar un método de detección de alta velocidad para observar el oxígeno generado por la fotosíntesis artificial para revelar el mecanismo detrás de la reacción del agua al oxígeno.

Metodología de investigación

Este estudio de investigación utilizó un método de análisis químico subacuático utilizando un microelectrodo desarrollado por el profesor TAKAHASHI Yasufumi et al de la Universidad de Kanazawa. (investigador colaborador) como tecnología subyacente. El oxígeno generado por el fotocatalizador de fotosíntesis artificial se detectó cuando se fusionó de nuevo con el agua. Como se muestra en la Figura 1, el panel fotocatalizador de estroncio y titanito se sumergió en agua. El microelectrodo, que consistía en un alambre de platino de 20 micrómetros (aproximadamente ¼ de un cabello humano) con sus lados recubiertos de vidrio, se sumergió en el agua a 100 micrómetros de la superficie del panel fotocatalizador.

Cuando el panel fotocatalizador se iluminó con luz ultravioleta (con una longitud de onda de 280 nm) de un diodo emisor de luz, oxígeno (O ₂ ) e hidrógeno (H ₂ ) se disociaron del agua donde hizo contacto con el panel. Estas moléculas de oxígeno e hidrógeno se liberaron posteriormente al agua. El oxígeno liberado se esparció por el agua y alcanzó el microelectrodo. El oxígeno que llegó al microelectrodo recibió cuatro electrones (e-) del electrodo dando como resultado la siguiente transformación:O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- → 4OH ^- .

El número de electrones recibidos del electrodo por el oxígeno se puede determinar midiendo la corriente eléctrica que pasa a través del electrodo. Medir la corriente eléctrica que pasa a través del electrodo cada 0,1 segundos permitió a los investigadores calcular la cantidad de oxígeno que llegaba al electrodo cada 0,1 segundos. Detección cromatográfica de gases, el aparato analítico utilizado hasta ahora para la detección de oxígeno, solo puede medir la cantidad de oxígeno cada tres minutos. Este estudio logró desarrollar un método de detección que es 1000 veces más rápido.

No es difícil calcular el tiempo necesario para que el oxígeno recorra la distancia de 100 micrómetros a través del agua desde el panel del fotocatalizador hasta el electrodo. Esto se puede lograr mediante la realización de simulaciones numéricas en una computadora de escritorio, basado en las leyes de difusión de Fick. La comparación de los resultados de la medición obtenidos del microelectrodo con los de la simulación reveló que había un retraso de uno a dos segundos entre el panel del fotocatalizador que se iluminaba con luz ultravioleta y el oxígeno que se liberaba en el agua. Este retraso es un fenómeno nuevo que no se pudo observar mediante la detección por cromatografía de gases.

Se cree que este retraso es una etapa preparatoria necesaria para que el fotocatalizador iluminado comience a dividirse el agua. Las investigaciones futuras buscarán verificar esta hipótesis, además de investigar qué está haciendo el fotocatalizador durante la etapa preparatoria. Sin embargo, Se espera que el método de detección de oxígeno desarrollado en este estudio, que es 1000 veces más rápido que los métodos de detección anteriores, conducirá a nuevos desarrollos en la fotosíntesis artificial.

Profesor Onishi Hiroshi, Escuela de Graduados en Ciencias, Universidad de Kobe, dice, "Soy un especialista en química física, y la idea de detectar el oxígeno generado a través de la fotosíntesis artificial utilizando un microelectrodo se me ocurrió en 2015. En la Universidad de Kobe, configuramos el aparato de medición desarrollado por el profesor Takahashi et al., que son expertos en análisis químico mediante microelectrodos, y comenzó a aplicarlo a fotocatalizadores.

"Mejorando el aparato y acumulando conocimientos sobre su funcionamiento, verificamos que este método es capaz de medir el oxígeno generado a partir del panel fotocatalizador proporcionado por el profesor Domen y el profesor asociado Hisatomi et al., que son autoridades en la investigación de fotocatalizadores.

"Además, Tres estudiantes graduados de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Kobe estuvieron a la vanguardia de esta investigación durante el período de cinco años que abarca desde el desarrollo del programa informático para la simulación numérica hasta el descubrimiento del 'retraso en la liberación de oxígeno'.

"Los tres equipos aportaron las características distintivas de sus respectivos campos de la química física, química analítica y química de catalizadores para el desarrollo de esta investigación. A través de esta colaboración, logramos aportar una nueva perspectiva a la ciencia de la fotosíntesis artificial ".