Síntesis de cristales de SrTiOmeso por crecimiento epitaxial topotáctico. Crédito:Universidad de Kobe
El hidrógeno es una fuente alternativa de energía que se puede producir a partir de fuentes renovables de luz solar y agua. Un grupo de investigadores japoneses ha desarrollado un fotocatalizador que multiplica por diez la producción de hidrógeno.
El descubrimiento fue realizado por un equipo de investigación conjunto dirigido por el profesor asociado TACHIKAWA Takashi (Centro de Investigación de Fotosciencia Molecular, Universidad de Kobe) y el profesor MAJIMA Tetsuro (Instituto de Investigaciones Científicas e Industriales, Universidad de Osaka). Sus hallazgos fueron publicados el 6 de abril en la versión en línea de Edición internacional Angewandte Chemie .
Cuando se aplica luz a los fotocatalizadores, se producen electrones y huecos en la superficie del catalizador, y el hidrógeno se obtiene cuando estos electrones reducen los iones de hidrógeno en el agua. Sin embargo, En los fotocatalizadores tradicionales, los huecos que se producen al mismo tiempo que los electrones se recombinan principalmente en la superficie del catalizador y desaparecen. lo que dificulta aumentar la eficiencia de conversión.
El grupo de investigación del profesor Tachikawa desarrolló un fotocatalizador hecho de mescristal, creando deliberadamente una falta de uniformidad en el tamaño y la disposición de los cristales. Este nuevo fotocatalizador es capaz de separar espacialmente los electrones y los huecos de electrones para evitar que se recombinen. Como resultado, tiene una tasa de conversión mucho más eficiente para producir hidrógeno que los fotocatalizadores nanoparticulados convencionales (aproximadamente el 7 por ciento).
La estructura de los mescristales de SrTiO3. Crédito:Universidad de Kobe
El equipo desarrolló un nuevo método llamado "crecimiento epitaxial topotáctico" que utiliza espacios de tamaño nanométrico en mescristales. Con base en este método de síntesis, pudieron sintetizar titanato de estroncio (SrTiO3) a partir de un compuesto con una estructura diferente, óxido de titanio (TiO2), usando una reacción hidrotermal simple de un paso. Al alargar el tiempo de reacción, también podrían hacer crecer partículas más grandes cerca de la superficie mientras preservan su estructura cristalina.
Cuando unieron un cocatalizador al mescristal sintetizado y aplicaron luz ultravioleta en agua, la reacción se produjo con aproximadamente un 7 por ciento de eficiencia de conversión de energía luminosa. En las mismas condiciones, Las nanopartículas de SrTiO3 que no se habían convertido en mescristales alcanzaron una eficiencia de conversión de menos del 1 por ciento, demostrando que la eficiencia de la reacción se multiplicó por diez bajo la estructura del mescristal. Cuando se examinó cada partícula con un microscopio fluorescente, el equipo descubrió que los electrones producidos durante la reacción se reunieron alrededor de los nanocristales más grandes.
Cuando se expone a la luz ultravioleta, los electrones en este fotocatalizador de nuevo desarrollo se mueven suavemente entre las nanopartículas dentro del mesocristal, se reúnen alrededor de los nanocristales más grandes generados en la superficie del cristal, y reducir eficientemente los iones de hidrógeno para crear hidrógeno.
Emisión de luz de mescristal de SrTiO3. Crédito:Universidad de Kobe
El descubrimiento de este poderoso fotocatalizador comenzó con la idea de los investigadores de "romper deliberadamente la estructura ordenada de los mescristales, "un concepto que podría aplicarse a otros materiales. El titanato de estroncio utilizado esta vez es un cristal cúbico, lo que significa que no hay variación en la adsorción molecular o la fuerza de reacción para cada plano cristalino. Al regular el tamaño y la disposición espacial de los nanocristales, que forman los bloques de construcción de esta estructura, puede ser posible aumentar en gran medida la eficiencia de conversión de energía luminosa del sistema existente.
Usando estos hallazgos, el grupo de investigación planea aplicar la tecnología de mescristales para lograr la producción súper eficiente de hidrógeno a partir de energía solar. Los óxidos metálicos de perovskita, incluyendo titanato de estroncio, el objetivo de este estudio, son los materiales fundamentales de los elementos electrónicos, por lo que sus resultados podrían aplicarse a una amplia gama de campos.
