Vista a través de una ventana del interior de un reactor de vacío ultra alto donde los nanotubos de TiO2 están decorados con nanopartículas de CoO. Vemos la llama (plasma producido por ablación láser) que pulveriza el CoO para dar lugar a la formación de sus nanopartículas. Crédito:Christian Fleury (INRS)
Un equipo de investigación del Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) ha unido fuerzas con investigadores franceses del Instituto de Química y Procesos para la Energía, Medio Ambiente y Salud (ICPEES), un laboratorio de investigación conjunto CNRS-Universidad de Estrasburgo, para allanar el camino hacia la producción de hidrógeno verde. Este equipo internacional ha desarrollado nuevos electrodos nanoestructurados fotosensibles a la luz solar. Los resultados de su investigación se publicaron en la edición de noviembre de 2020 de la revista de Materiales de energía solar y células solares .
Un vector de transición energética.
El hidrógeno está siendo considerado por varios países de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE) como un actor clave en la transición hacia industrias y sectores descarbonizados. Según el profesor del INRS My Ali El Khakani, Quebec podría posicionarse estratégicamente en este sector energético del futuro. "Gracias a los nanomateriales de alto rendimiento, podemos mejorar la eficiencia de la disociación del agua para producir hidrógeno. Este combustible "limpio" es cada vez más importante para la descarbonización de los camiones pesados y el transporte público. Por ejemplo, Los autobuses que utilizan hidrógeno como combustible ya están en funcionamiento en varios países europeos y en China. Estos autobuses emiten agua en lugar de gases de efecto invernadero. ", añadió el físico y especialista en nanomateriales.
La división de las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno se realiza desde hace mucho tiempo mediante electrólisis. Sin embargo, Los electrolizadores industriales consumen mucha energía y requieren grandes inversiones. Los investigadores de INRS e ICPEES se inspiraron más bien en un mecanismo natural:la fotosíntesis. En efecto, han desarrollado electrodos especialmente diseñados y estructurados que dividen las moléculas de agua bajo la luz del sol. Este es un proceso conocido como fotocatálisis.
Imagen de microscopía electrónica (vista superior) de una matriz de nanotubos de TiO2 (como celdas en forma de panal de una colmena de abejas) decoradas con nanopartículas de óxido de cobalto (CoO) (NP). Crédito:INRS 
Para aprovechar al máximo la energía solar, Los equipos de investigación han seleccionado un material muy abundante y químicamente estable:el dióxido de titanio (TiO 2 ). TiO 2 es un semiconductor conocido por ser fotosensible a la luz ultravioleta, que representa solo el 5% de la irradiancia solar. Los investigadores han utilizado su experiencia en el campo para cambiar primero la composición atómica del TiO 2 y ampliar su fotosensibilidad a la luz visible. Pudieron producir electrodos que pueden absorber hasta el 50% de la luz emitida por el sol. ¡Una ganancia significativa desde el principio!
Luego, los investigadores han procedido con la nanoestructuración del electrodo para formar una red de TiO 2 nanotubos que se asemejan a una estructura similar a una colmena. Este método multiplicó el área de superficie efectiva del electrodo por un factor de 100, 000 o más. "La nanoestructuración maximiza la relación entre la superficie y el volumen de un material. Por ejemplo, TiO 2 las nanoestructuras pueden ofrecer una superficie de hasta 50 m 2 por gramo. ¡Esa es la superficie de un departamento de tamaño medio! ”, Señaló el profesor El Khakani.
El paso final de la elaboración del electrodo es su "nanodecoración". Este proceso consiste en depositar nanopartículas de catalizador en la red infinita de TiO 2 nanotubos para aumentar su eficiencia de producción de hidrógeno. Para lograr este paso de nanodecoración, los investigadores utilizaron la técnica de deposición por ablación con láser, un campo en el que el profesor El Khakani ha desarrollado una experiencia única durante los últimos 25 años. El desafío no era solo controlar el tamaño, dispersión y anclaje de nanopartículas de catalizador en el TiO 2 matriz de nanotubos, sino también para encontrar alternativas a los costosos catalizadores clásicos de iridio y platino.
Esta investigación identificó óxido de cobalto (CoO), un material que está bastante disponible en el subsuelo de Quebec, como co-catalizadores eficaces para la división de moléculas de agua. Una comparación de los dos materiales mostró que las nanopartículas de CoO permitieron aumentar diez veces la eficiencia fotocatalítica de estos nuevos electrodos nanodecorados bajo luz visible en comparación con los nanotubos desnudos.
