Una tarde, Mohammad Islam, de la Universidad Carnegie Mellon, de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE), entró en la oficina de su colega Paul Salvador y preguntó cuál era el problema más grande en fotocatálisis que le gustaría poder resolver. La respuesta de Salvador:le gustaría determinar cómo las reacciones de oxidación y reducción en la fotocatálisis podrían separarse en distintos canales para aumentar el rendimiento.

Un fotocatalizador que utiliza energía de la luz para acelerar una reacción, típicamente facilita dos reacciones:una reacción de oxidación y una reacción de reducción. Se utilizan para generar hidrógeno, en la remediación de bioincrustaciones ambientales, y potencialmente para matar bacterias resistentes a los medicamentos.

"Estamos fabricando nanotubos de carbono abiertos, "respondió el Islam, profesor de investigación de MSE, "Entonces, ¿qué tal si ponemos el fotocatalizador en el exterior y el cocatalizador en el interior de cada nanotubo?"

El Salvador, profesor de MSE, dijo que pensaba que era una solución elegante, pero ¿era posible?

Así se formó un equipo que incluía al Islam, El Salvador, y el profesor de MSE y jefe de departamento Greg Rohrer, con Ph.D. estudiante Hang-Ah Park el estudiante de maestría Siyuan Liu, y el ex postdoctorado Youngseok Oh (actualmente científico senior en el Instituto Coreano de Ciencia de Materiales). Recientemente, el equipo publicó un artículo sobre su nuevo enfoque para optimizar fotocatalizadores. Como muchos proyectos de investigación de Carnegie Mellon, el proyecto comenzó con un problema que solo se podía resolver mediante la colaboración.

El desafío:los fotocatalizadores deben ser baratos, eficiente, y respetuoso con el medio ambiente. Aunque los fotocatalizadores actuales pueden ser económicos, tienen alta toxicidad o no funcionan bien.

En un fotocatalizador, tanto la reacción de oxidación como la reacción de reducción deben optimizarse, al igual que el espacio entre estas reacciones. Típicamente, un fotocatalizador que es bueno para realizar un tipo de reacción (como la oxidación) tiene un cocatalizador agregado que es bueno para realizar la reacción opuesta (reducción). Aunque esto ayuda con la optimización, las reacciones no están completamente separadas, y por lo tanto, productos como el hidrógeno y el oxígeno se generan en el mismo espacio.

"Imagina que tienes una esfera del tamaño de un micrómetro que se sabe que es buena para la oxidación, y le agrega pequeños hemisferios de cocatalizador que se sabe que son buenos en la reducción (generalmente 10 nanómetros), ", dice Rohrer." Aunque las reacciones están técnicamente separadas, todavía están ocurriendo en las proximidades, lo que disminuye el rendimiento del fotocatalizador. Entonces, los ponemos en canales completamente diferentes ".

Lo que hace que su trabajo sea novedoso no es la separación completa de los canales, que es bien conocido en las células fotoelectroquímicas estándar (PEC), pero que bajaron un PEC a la nanoescala, desarrolló matrices masivamente paralelas de esos PEC a nanoescala, y mantuvo una separación completa.

"Es una idea muy simple, "dice Salvador." Muchos de nosotros hemos realizado experimentos de laboratorio en la escuela secundaria o la universidad utilizando PEC tradicionales, que separan los productos en dos grandes vasos de precipitados. Hemos tomado ese enorme PEC del laboratorio de química y lo hemos reducido a la nanoescala, y luego fabricamos miles de ellos que funcionan en paralelo. En ese proceso, encontramos algunos comportamientos de materiales fundamentales nuevos e interesantes, incluyendo alta actividad en luz visible, y vi un rendimiento fenomenal que tiene muchas aplicaciones ".

Una gran aplicación de los fotocatalizadores es la reparación de la bioincrustación ambiental, o eliminar organismos como percebes y algas de superficies como tuberías. Otra aplicación es la eliminación de bacterias resistentes a los medicamentos. Muchos hospitales, por ejemplo, use pinturas cargadas con titania e irradiadas con luz ultravioleta para desinfectar paredes u otras superficies. Pero con el nuevo método fotocatalítico, pueden usar luz visible, que es mucho más seguro. Finalmente, durante la generación de hidrógeno, sus fotocatalizadores suprimen la mezcla de gases producto, un avance importante.

"La pregunta ahora es, ¿Por qué le va mucho mejor? ", dice Islam." ¿Por qué se volvió fotoactivo en la luz visible cuando estoy haciendo esto con nanotubos de carbono y titanio? ¿Cuáles son los parámetros que podemos modificar para mejorarlo? Esa es la dirección en la que vamos ".