Un aerogel en forma de tableta compuesto de paladio y nanopartículas de TiO2 dopadas con nitrógeno. Crédito:Markus Niederberger / ETH Zúrich
Los aerogeles son materiales extraordinarios que han establecido récords mundiales Guinness más de una docena de veces, incluso como los sólidos más livianos del mundo.
El profesor Markus Niederberger del Laboratorio de Materiales Multifuncionales de ETH Zurich ha estado trabajando con estos materiales especiales durante algún tiempo. Su laboratorio se especializa en aerogeles compuestos de nanopartículas semiconductoras cristalinas. "Somos el único grupo en el mundo que puede producir este tipo de aerogel con una calidad tan alta", dice.
Uno de los usos de los aerogeles basados en nanopartículas es como fotocatalizadores. Estos se emplean siempre que se necesita permitir o acelerar una reacción química con la ayuda de la luz solar; un ejemplo es la producción de hidrógeno.
El material de elección para los fotocatalizadores es el dióxido de titanio (TiO2 ), un semiconductor. Pero TiO2 tiene una gran desventaja:puede absorber solo la parte ultravioleta de la luz solar, solo alrededor del 5 por ciento del espectro. Para que la fotocatálisis sea eficiente e industrialmente útil, el catalizador debe poder utilizar una gama más amplia de longitudes de onda.
Ampliación del espectro con dopaje con nitrógeno
Es por eso que el estudiante de doctorado de Niederberger, Junggou Kwon, ha estado buscando una nueva forma de optimizar un aerogel hecho de TiO2. nanopartículas. Y tuvo una idea brillante:si el TiO2 El aerogel de nanopartículas se "dopa" (para usar el término técnico) con nitrógeno, de modo que los átomos de oxígeno individuales en el material se reemplazan por átomos de nitrógeno, el aerogel puede absorber más porciones visibles del espectro. El proceso de dopaje deja intacta la estructura porosa del aerogel. El estudio sobre este método se publicó recientemente en la revista Applied Materials &Interfaces .
Kwon primero produjo el aerogel usando TiO2 nanopartículas y pequeñas cantidades del metal noble paladio, que juega un papel clave en la producción fotocatalítica de hidrógeno. Luego colocó el aerogel en un reactor y lo infundió con gas amoníaco. Esto hizo que los átomos de nitrógeno individuales se incrustaran en la estructura cristalina del TiO2 nanopartículas.
La estructura interna similar a una esponja del aerogel. Crédito:Laboratorio de Materiales Multifuncionales / ETH Zurich
El aerogel modificado hace que la reacción sea más eficiente
Para probar si un aerogel modificado de esta manera realmente aumenta la eficiencia de una reacción química deseada, en este caso, la producción de hidrógeno a partir de metanol y agua, Kwon desarrolló un reactor especial en el que colocó directamente el monolito de aerogel. She then introduced a vapor of water and methanol to the aerogel in the reactor before irradiating it with two LED lights. The gaseous mixture diffuses through the aerogel's pores, where it is converted into the desired hydrogen on the surface of the TiO2 and palladium nanoparticles.
Kwon stopped the experiment after five days, but up to that point, the reaction was stable and proceeded continuously in the test system. "The process would probably have been stable for longer," Niederberger says. "Especially with regard to industrial applications, it's important for it to be stable for as long as possible." The researchers were satisfied with the reaction's results as well. Adding the noble metal palladium significantly increased the conversion efficiency:using aerogels with palladium produced up to 70 times more hydrogen than using those without.
Increasing the gas flow
This experiment served the researchers primarily as a feasibility study. As a new class of photocatalysts, aerogels offer an exceptional three-dimensional structure and offer potential for many other interesting gas-phase reactions in addition to hydrogen production. Compared to the electrolysis commonly used today, photocatalysts have the advantage that they could be used to produce hydrogen using only light rather than electricity.
Whether the aerogel developed by Niederberger's group will ever be used on a large scale is still uncertain. For example, there is still a question of how to accelerate the gas flow through the aerogel; at the moment, the extremely small pores hinder the gas flow too much. "To operate such a system on an industrial scale, we first have to increase the gas flow and also improve the irradiation of the aerogels," Niederberger says. He and his group are already working on these issues.
Aerogels are exceptional materials. They are extremely light and porous, and boast a huge surface area:one gram of the material can have a surface area of up to 1,200 square meters. Due to their transparency, aerogels have the appearance of "frozen smoke." They are excellent thermal insulators and so are used in aerospace applications and, increasingly, in the thermal insulation of buildings as well. However, their manufacture still requires a huge amount of energy, so the materials are expensive. The first aerogel was produced from silica by the chemist Samuel Kistler in 1931. + Explora más
