El hidrógeno es fundamental para la industria del refino de petróleo y la producción de productos químicos esenciales como el amoníaco utilizado en los fertilizantes. Dado que producir hidrógeno es costoso, los científicos han buscado durante mucho tiempo alternativas, métodos energéticamente eficientes para separar átomos de hidrógeno de fuentes abundantes como el agua.

Recientemente se demostró que las estructuras a escala nanométrica que consisten en esferas baratas de metal y óxido son un excelente catalizador para una reacción de producción de hidrógeno impulsada únicamente por la luz solar. El estudio fue completado por Ming-Yong Han y sus colegas del Instituto A * STAR de Investigación e Ingeniería de Materiales, Singapur, trabajando en colaboración con un equipo de investigadores de Singapur y Francia.

Han y su equipo mezclaron esferas de oro de 50 nanómetros de diámetro en un precursor de dióxido de titanio, de modo que se formó una esfera de dióxido de titanio en el lado de cada nanopartícula de oro. Las estructuras con esta disposición de dos esferas se conocen como partículas de Janus, nombrado en honor al dios de dos cabezas de la mitología romana. Mientras que las partículas de Janus se suspendieron en una mezcla de agua y alcohol isopropílico, Han y sus compañeros de trabajo les iluminaron con luz visible y midieron la producción de hidrógeno, que procedió a una velocidad tan rápida como 2 mililitros por minuto.

Luego, los investigadores utilizaron modelos teóricos para demostrar que esta tasa de producción fue causada por los llamados efectos plasmónicos:es decir, los electrones en la superficie de la nanopartícula de oro en la unión con el dióxido de titanio se acoplaron a la luz entrante y formaron partículas híbridas luz-materia llamadas polaritones de plasmón. La energía absorbida por estas partículas luego pasó al líquido circundante, y esto impulsó la reacción química de liberación de hidrógeno.

"Nuestro trabajo proporciona información sobre los mecanismos que serán útiles para el futuro desarrollo de fotocatalizadores de alto rendimiento, "dice Han. De hecho, Han y sus compañeros de trabajo pudieron mejorar aún más la eficiencia de la producción de hidrógeno:aumentaron el área de la interfaz metal-óxido mediante el uso de nanopartículas de oro más grandes.

Las partículas de Janus eran 100 veces más eficientes como catalizador para la producción de hidrógeno que las nanopartículas de oro desnudo. Es más, eran más de una vez y media mejores que otro tipo común de nanopartículas plasmónicas, partículas de núcleo-capa, en el que el material de óxido forma un revestimiento alrededor de la nanopartícula de metal.

"A continuación, esperamos desarrollar una mejor comprensión de los procesos que ocurren en la interfaz metal-titanio-dióxido mediante una combinación de observaciones experimentales y simulaciones teóricas, ", dice Han. Esto nos acercará a nuestro objetivo final de utilizar la iluminación solar como una fuente abundante de energía renovable".