El peróxido de hidrógeno se usa en muchas industrias para una variedad de propósitos, incluido el blanqueo, el tratamiento de aguas residuales, la esterilización e incluso como combustible para cohetes. Debido a que el subproducto del peróxido de hidrógeno es el agua, ha sido elogiado como un químico "verde" y amigable con el medio ambiente, pero una mirada más cercana al proceso de producción del peróxido de hidrógeno revela una historia más complicada. Problemas como la cantidad de energía utilizada para el proceso de producción y la extracción de los productos químicos necesarios tienen impactos ambientales dramáticos. A medida que aumenta la demanda de peróxido de hidrógeno a nivel mundial, los investigadores están tratando de encontrar nuevas formas de producir peróxido de hidrógeno que sean más seguras y mejores para el medio ambiente.

Investigaciones anteriores identificaron técnicas que utilizan la fotocatálisis, el uso de la luz para iniciar una reacción química y los electrones calientes, que son electrones de alta energía que se han cargado a través de la luz visible e infrarroja, como soluciones alternativas a la producción de peróxido de hidrógeno. Tanto la fotocatálisis como los electrones calientes se han utilizado en alternativas de energía verde, como la energía solar, en el pasado, pero las limitaciones de ambos procesos han impedido que se implementen para la producción de peróxido de hidrógeno.

Para abordar algunas de estas limitaciones, los investigadores de la Universidad Jiao Tong de Shanghai encontraron formas de hacer que los electrones calientes duren más para que la fotocatálisis pueda usarse para producir peróxido de hidrógeno en un proceso de producción más seguro y limpio.

Los hallazgos se publicaron el 25 de junio en Nano Research .

El autor del artículo, Xinhao Li, profesor de la Facultad de Química e Ingeniería Química de la Universidad Jiao Tong de Shanghai, explicó algunas de las limitaciones del uso de electrones calientes en la producción de peróxido de hidrógeno. "La vida útil de los electrones calientes, normalmente en una escala de tiempo de 0,4 a 0,3 picosegundos, no se puede combinar bien con la escala de tiempo de las reacciones químicas típicas, incluida la reacción de reducción de oxígeno a peróxido de hidrógeno. Debido a esto, es atractivo desarrollar métodos poderosos para prolongar la vida útil de los portadores calientes termalizados sobre fotocatalizadores baratos para la producción de peróxido de hidrógeno usando solo agua, aire y luz solar", dijo Li.

El método para mantener la energía de los electrones calientes propuesto por los investigadores es sencillo. Se hace una heterounión, una combinación de dos capas diferentes de semiconductores, de dióxido de titanio rutilo y grafeno para recolectar los electrones calientes. Los primeros investigadores exploraron formas de producir sintéticamente dióxido de titanio rutilo de manera rápida y eficiente. Se necesitan 24 horas para el proceso de transferencia de fase mediante el método de molienda para convertir el dióxido de titanio anatasa en dióxido de titanio rutilo, pero los investigadores pudieron reducir esto a 5 minutos.

La combinación de dióxido de titanio rutilo y grafeno forma una barrera de Schottky elevada, que es esencial para prolongar la vida útil de los electrones calientes. Se forma una barrera de Schottky entre un metal y un semiconductor y actúa como una barrera para los electrones. Debido a que la barrera de Schottky entre el dióxido de titanio rutilo y el grafeno es alta, facilita la inyección de electrones calientes y evita que los electrones fluyan hacia atrás a través de la barrera. La barrera elevada se logra debido a la rápida transferencia de fase entre el dióxido de titanio anatasa y el dióxido de titanio rutilo. La transferencia de fase rápida y la barrera elevada permiten una larga vida útil de la fluorescencia y una mejor eficiencia, lo que aumenta la producción de peróxido de hidrógeno utilizando luz visible e infrarroja cercana. Los investigadores sospechan que el dióxido de titanio de grafeno/rutilo se puede reutilizar durante al menos seis ciclos de reacciones estándar, lo que lo hace aún más eficiente para producir peróxido de hidrógeno.

En cuanto a lo que sigue, los investigadores buscan cómo simplificar el proceso. "En el trabajo de seguimiento, esperamos desarrollar estrategias más simples para optimizar la heteroestructura de la fotocatálisis para mejorar aún más la utilización de electrones calientes fotogenerados. Este sistema fotocatalítico impulsado por electrones calientes fotogenerados en heterouniones baratas libres de metales nobles muestra un potencial significativo como un nuevo sistema de fotosíntesis artificial", dijo Li. + Explora más

Cómo las nanopartículas de oro podrían mejorar el almacenamiento de energía solar