Cuando Emiliano Cortés sale a buscar luz solar, no utiliza espejos gigantes ni granjas solares en expansión. Al contrario, el profesor de física experimental y conversión de energía de la LMU se sumerge en el nanocosmos.
"Donde las partículas de alta energía de la luz solar, los fotones, se encuentran con las estructuras atómicas es donde comienza nuestra investigación", dice Cortés. "Estamos trabajando en soluciones materiales para capturar y utilizar la energía solar de manera más eficiente."
Sus hallazgos tienen un gran potencial, ya que permiten crear nuevas células solares y fotocatalizadores. La industria tiene grandes esperanzas en estos últimos porque pueden hacer que la energía luminosa sea accesible para reacciones químicas, evitando la necesidad de generar electricidad. Pero el uso de la luz solar plantea un gran desafío, al que también tienen que enfrentarse las células solares, como sabe Cortés:"La luz del sol llega a la Tierra 'diluida', por lo que la energía por área es comparativamente baja". Los paneles solares compensan esto cubriendo grandes áreas.
Cortés, sin embargo, está abordando el problema desde la otra dirección, por así decirlo. Con su equipo en el Nano-Instituto de LMU está desarrollando las llamadas nanoestructuras plasmónicas que pueden usarse para concentrar energía solar.
En la revista Nature Catalysis , Cortés, junto con el Dr. Matías Herran, ahora en el Instituto Fritz Haber de Berlín, y socios de cooperación de la Universidad Libre de Berlín y la Universidad de Hamburgo, presentan un supercristal bidimensional que genera hidrógeno a partir de ácido fórmico con la ayuda de la luz solar. .
"De hecho, el material es tan extraordinario que ostenta el récord mundial de producción de hidrógeno a partir de la luz solar", destaca Cortés. Esta es una buena noticia para la producción de fotocatalizadores y de hidrógeno como portador de energía, ya que desempeñan un papel importante en una transición energética exitosa.
Para su supercristal, Cortés y Herrán utilizan dos metales diferentes en formato nanoescala. "Primero creamos partículas en el rango de 10 a 200 nanómetros a partir de un metal plasmónico, que en nuestro caso es oro", explica Herrán.
"A esta escala se produce un fenómeno especial con los metales plasmónicos, entre los que también se encuentran la plata, el cobre, el aluminio y el magnesio:la luz visible interactúa muy fuertemente con los electrones del metal, haciéndolos oscilar de forma resonante". Esto significa que los electrones se mueven colectivamente muy rápidamente de un lado a otro de la nanopartícula, creando una especie de miniimán. Los expertos se refieren a esto como momento dipolar.
"Para la luz incidente, esto supone un cambio importante, ya que posteriormente interactúa mucho más fuertemente con la nanopartícula metálica", explica Cortés. "De manera análoga, se puede considerar el proceso como una superlente que concentra la energía. Nuestros nanomateriales hacen eso, pero a escala molecular". Esto permite que las nanopartículas capturen más luz solar y la conviertan en electrones de muy alta energía. Estos, a su vez, ayudan a impulsar reacciones químicas.
Pero ¿cómo se puede aprovechar esta energía? Para ello, los científicos de la LMU se asociaron con investigadores de la Universidad de Hamburgo. Dispusieron partículas de oro de forma ordenada sobre una superficie según el principio de autoorganización. Las partículas deben estar muy cerca pero sin tocarse para maximizar las interacciones luz-materia. En colaboración con un equipo de investigación de la Universidad Libre de Berlín, que estudió las propiedades ópticas del material, los investigadores de LMU descubrieron que la absorción de luz aumentaba muchas veces.
"Las matrices de nanopartículas de oro concentran la luz entrante en campos eléctricos extremadamente eficientes, potentes, altamente localizados y potentes, los llamados puntos calientes", afirma Herrán. Estas se forman entre las partículas de oro, lo que dio a Cortés y Herrán la idea de colocar nanopartículas de platino, un material catalizador clásico y potente, justo en los espacios intermedios.
Esto lo volvió a hacer el equipo de investigación de Hamburgo. "El platino no es el material elegido para la fotocatálisis porque absorbe mal la luz solar. Sin embargo, podemos forzarlo en puntos críticos para mejorar esta absorción que de otro modo sería pobre y potenciar reacciones químicas con la energía luminosa. En nuestro caso, la reacción convierte el ácido fórmico en hidrógeno ”, explica Herrán. Con una producción de hidrógeno a partir de ácido fórmico de 139 milimoles por hora y por gramo de catalizador, el material fotocatalítico ostenta actualmente el récord mundial de H2 producción con luz solar.
Hoy en día, el hidrógeno se produce principalmente a partir de combustibles fósiles, principalmente de gas natural. Para pasar a una producción más sostenible, equipos de investigación de todo el mundo están trabajando en tecnologías que utilizan materias primas alternativas, como ácido fórmico, amoníaco y agua. La atención se centra también en el desarrollo de reactores fotocatalíticos adecuados para la producción a gran escala.
"Las soluciones materiales inteligentes como las nuestras son un elemento importante para el éxito de la tecnología", afirman los dos investigadores. "Al combinar metales plasmónicos y catalíticos, estamos avanzando en el desarrollo de potentes fotocatalizadores para aplicaciones industriales. Es una nueva forma de utilizar la luz solar y que ofrece potencial para otras reacciones como la conversión de CO2 en sustancias utilizables", explican Cortés y Herrán. Los dos investigadores ya han patentado su desarrollo material.
Más información: Matias Herran et al, Supercristales bimetálicos plasmónicos para generación de H2, Nature Catalysis (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01053-9
Información de la revista: Catálisis de la naturaleza
Proporcionado por la Universidad Ludwig Maximilian de Munich
