Un equipo de la UPC y del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) ha diseñado un fotocatalizador eficiente y estable capaz de producir hidrógeno directamente a partir de la luz solar. Los resultados se publican en la revista Nature Communications. .

El hidrógeno es fundamental para esa transición energética, siempre que se produzca a partir de fuentes renovables (hidrógeno verde). Se sabe desde hace mucho tiempo que los electrones de algunos semiconductores pueden participar en reacciones químicas cuando son iluminados por la luz solar.

Este es el caso del dióxido de titanio, un material barato e inofensivo que se utiliza mucho como pigmento blanco en pinturas, plásticos, papeles, tintas y cosméticos. Los electrones excitados del dióxido de titanio son capaces de generar hidrógeno a partir de los protones del agua y de los compuestos orgánicos. Sin embargo, la producción de hidrógeno es muy baja porque los electrones tienden a relajarse en lugar de reaccionar, por lo que la eficiencia del proceso es demasiado baja desde un punto de vista práctico.

Esta limitación se puede superar poniendo en contacto el dióxido de titanio con nanopartículas metálicas, que actúan como filtros de electrones, alargando la vida de los electrones en estado excitado para que puedan reaccionar y producir hidrógeno. Esto nos permite lograr rendimientos cientos de veces mayores.

Este estudio es un paso adelante para la producción sostenible de hidrógeno. Ha sido liderado por el investigador Ramón y Cajal Lluís Soler y el profesor Jordi Llorca del grupo de investigación ENCORE-NEMEN del Departamento de Ingeniería Química y del Instituto de Tecnologías Energéticas de la Universitat Politècnica de Catalunya—BarcelonaTech (UPC). También forman parte del Centro Específico de Investigación del Hidrógeno (CER-H2).

Utilizando un proceso mecanoquímico, los investigadores depositaron grupos metálicos sobre nanopartículas de dióxido de titanio de diversas morfologías y descubrieron que las diferentes caras cristalográficas expuestas del dióxido de titanio también desempeñan un papel clave en la producción de hidrógeno. Tanto la estabilidad de los fotocatalizadores como la fuerza de la transferencia de electrones entre el semiconductor y las nanopartículas metálicas están fuertemente relacionadas con las caras expuestas del semiconductor, que son responsables de la movilidad y agregación de los átomos.

Los resultados son claros. Cuando se depositan clusters de platino sobre nanopartículas octaédricas de dióxido de titanio, se obtiene un fotocatalizador que produce mayores cantidades de hidrógeno y, lo que es más importante, es mucho más estable que cualquier otra combinación. El estudio es un ejemplo notable de cómo se puede aplicar la nanotecnología para diseñar nuevos dispositivos en el campo de la energía.

Para comprender los resultados, el investigador Ramón y Cajal Claudio Cazorla, del Departamento de Física de la UPC, ha realizado cálculos de mecánica cuántica para estudiar la estructura electrónica de los fotocatalizadores, que han sido comparados con los resultados de la espectroscopía de fotoelectrones de rayos X obtenidos en el Centro de Investigación de la UPC. en Ciencia e Ingeniería Multiescala. El centro está ubicado en el Campus Diagonal-Besòs, al igual que la Escuela de Ingeniería de Barcelona Este (EEBE), donde los investigadores también imparten docencia.

Los resultados de esta investigación permitirán el diseño de nuevos catalizadores para la producción eficiente y sostenible de hidrógeno verde. Ya se está trabajando en el Centro Específico de Investigación del Hidrógeno de la UPC para poner en práctica estos resultados.

Más información: Yufen Chen et al, El TiO2 diseñado por Facet impulsa la actividad fotocatalítica y la estabilidad de los grupos de metales nobles soportados durante la evolución del H2, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41976-2

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