(Phys.org) —Una técnica única de ingeniería a escala atómica para convertir nanopartículas fotocatalíticas "blancas" de dióxido de titanio de baja eficiencia en nanopartículas "negras" de alta eficiencia podría ser la clave para tecnologías de energía limpia basadas en hidrógeno.

Samuel Mao, un científico que tiene nombramientos conjuntos con la División de Tecnologías de Energía Ambiental de Berkeley Lab y la Universidad de California en Berkeley, lidera el desarrollo de una técnica para el desorden de ingeniería en la estructura nanocristalina del dióxido de titanio semiconductor. Esto hace que los cristales naturalmente blancos sean de color negro, una señal de que los cristales ahora pueden absorber luz infrarroja, visible y ultravioleta. El espectro de absorción expandido mejora sustancialmente la eficiencia con la que el dióxido de titanio negro puede usar la luz solar para dividir las moléculas de agua para la producción de hidrógeno.

"Hemos demostrado que las nanopartículas de dióxido de titanio negro son capaces de generar hidrógeno a través de reacciones fotocatalíticas impulsadas por el sol con una eficiencia récord, ", Dijo Mao en una charla en la reunión nacional de la American Chemical Society (ACS) en Nueva Orleans.

"La síntesis de nanopartículas de dióxido de titanio negro se basó en un proceso de hidrogenación en el que los nanocristales de dióxido de titanio blanco se sometieron a gas hidrógeno a alta presión, ", dijo Mao." La estructura desordenada única crea un fotocatalizador que es duradero y eficiente, y da dióxido de titanio, uno de los materiales de óxidos más estudiados, un potencial renovado ".

La promesa del hidrógeno en baterías o combustibles es una fuente de energía limpia y renovable que no agrava el cambio climático global. El desafío es producirlo en masa de manera rentable. A pesar de ser el elemento más abundante del universo, El hidrógeno puro es escaso en la Tierra porque el hidrógeno se combina con casi cualquier otro tipo de átomo. Usar energía solar para dividir la molécula de agua en hidrógeno y oxígeno es la forma ideal de producir hidrógeno puro. Esta, sin embargo, requiere un fotocatalizador eficaz que el agua no corroa. El dióxido de titanio puede resistir el agua, pero hasta que el trabajo de Mao y su grupo solo pudieron absorber la luz ultravioleta, que representa apenas el diez por ciento de la energía de la luz solar.

En su charla ACS, titulado "Ingeniería de trastornos:torneado de nanopartículas de dióxido de titanio negras, "Mao describió cómo desarrolló el concepto de" ingeniería del desorden, "y cómo la introducción de trastornos hidrogenados crea estados de energía de brecha de banda media por encima del máximo de la banda de valencia para mejorar la movilidad del hidrógeno. Sus estudios no solo han producido un nuevo fotocatalizador prometedor para generar hidrógeno, pero también han ayudado a disipar algunas creencias científicas ampliamente aceptadas.

"Nuestras pruebas han demostrado que un buen fotocatalizador semiconductor no tiene por qué ser un monocristal con defectos mínimos y niveles de energía justo debajo de la parte inferior de la banda de conducción". "Dijo Mao.

Los estudios de caracterización en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab también ayudaron a responder la pregunta de cuánto del hidrógeno detectado en sus experimentos proviene de la reacción fotocatalítica. y cuánto proviene del hidrógeno absorbido en el óxido de titanio durante el proceso de síntesis de hidrogenación.

"Nuestras mediciones indican que solo una cantidad muy pequeña de hidrógeno se absorbe en dióxido de titanio negro, alrededor de 0.05 miligramos, en comparación con los 40 miligramos de hidrógeno detectados durante un experimento de producción de hidrógeno impulsado por energía solar de 100 horas, "Dijo Mao.