La división del agua con energía solar es un medio prometedor para generar energía limpia y almacenable. Se ha demostrado que un nuevo catalizador basado en nanopartículas semiconductoras facilita todas las reacciones necesarias para la "fotosíntesis artificial".

A la luz del cambio climático global, Existe una necesidad urgente de desarrollar formas eficientes de obtener y almacenar energía a partir de fuentes de energía renovables. La división fotocatalítica del agua en combustible de hidrógeno y oxígeno proporciona un enfoque particularmente atractivo en este contexto. Sin embargo, implementación eficiente de este proceso, que imita la fotosíntesis biológica, es técnicamente muy desafiante, ya que implica una combinación de procesos que pueden interferir entre sí. Ahora, Los físicos de LMU dirigidos por el Dr. Jacek Stolarczyk y el profesor Jochen Feldmann, en colaboración con químicos de la Universidad de Würzburg dirigidos por el profesor Frank Würthner, han logrado demostrar la división completa del agua con la ayuda de un sistema catalítico todo en uno por primera vez. Su nuevo estudio aparece en la revista. Energía de la naturaleza .

Los métodos técnicos para la división fotocatalítica de moléculas de agua utilizan componentes sintéticos para imitar los complejos procesos que tienen lugar durante la fotosíntesis natural. En tales sistemas, nanopartículas semiconductoras que absorben cuantos de luz (fotones) pueden, en principio, sirven como fotocatalizadores. La absorción de un fotón genera una partícula cargada negativamente (un electrón) y una especie cargada positivamente conocida como 'agujero, "y los dos deben estar separados espacialmente para que una molécula de agua pueda ser reducida a hidrógeno por el electrón y oxidada por el agujero para formar oxígeno". Si solo se quiere generar gas hidrógeno a partir del agua, los orificios suelen eliminarse rápidamente mediante la adición de reactivos químicos de sacrificio, "dice Stolarczyk." Pero para lograr una división completa del agua, los agujeros deben retenerse en el sistema para impulsar el lento proceso de oxidación del agua ". El problema radica en permitir que las dos semirreacciones tengan lugar simultáneamente en una sola partícula, mientras se asegura que las especies con carga opuesta no se recombinen. Además , muchos semiconductores pueden oxidarse ellos mismos, y así destruido, por los agujeros cargados positivamente.

Nanorods con sitios de reacción separados espacialmente

"Resolvimos el problema utilizando nanobarras hechas del material semiconductor sulfato de cadmio, y separó espacialmente las áreas en las que ocurrieron las reacciones de oxidación y reducción en estos nanocristales, "Stolarczyk explica. Los investigadores decoraron las puntas de las nanovarillas con diminutas partículas de platino, que actúan como aceptores de los electrones excitados por la absorción de luz. Como había mostrado anteriormente el grupo LMU, esta configuración proporciona un fotocatalizador eficaz para la reducción del agua a hidrógeno. La reacción de oxidación, por otra parte, tiene lugar a los lados de la nanovarilla. Para tal fin, , Los investigadores de LMU colocaron en las superficies laterales un catalizador de oxidación a base de rutenio desarrollado por el equipo de Würthner. El compuesto estaba equipado con grupos funcionales que lo anclaban a la nanovarilla. "Estos grupos proporcionan un transporte extremadamente rápido de orificios al catalizador, que facilita la generación eficiente de oxígeno y minimiza el daño a las nanobarras, "dice el Dr. Peter Frischmann, uno de los iniciadores del proyecto en Würzburg.

El estudio se llevó a cabo como parte del proyecto interdisciplinario "Solar Technologies Go Hybrid" (SolTech), que está financiado por el Estado de Baviera. "La misión de SolTech es explorar conceptos innovadores para la conversión de energía solar en combustibles no fósiles, "dice el profesor Jochen Feldmann, titular de la Cátedra de Fotónica y Optoelectrónica de LMU. "El desarrollo del nuevo sistema fotocatalítico es un buen ejemplo de cómo SolTech reúne la experiencia disponible en diversas disciplinas y en diferentes ubicaciones. El proyecto no podría haber tenido éxito sin la cooperación interdisciplinaria entre químicos y físicos en dos instituciones, "añade Würthner, OMS, junto con Feldmann, inició SolTech en 2012.