Los nanohíbridos basados en polioxometalato (POM) ofrecen potencialmente un cambio radical en la sostenibilidad en una amplia variedad de industrias, pero la investigación sobre estas sustancias está en sus primeras etapas. Un grupo de investigadores ha elaborado un análisis exhaustivo de los avances del sector y de los retos aún por superar.
Una nueva clase de materiales híbridos a nanoescala tiene el potencial de mejorar la sostenibilidad en los sistemas energéticos, el transporte, los biosensores, la purificación del agua e incluso la impresión 3D, pero el campo aún es muy joven. Un grupo de investigadores ha elaborado una descripción detallada de la situación de los nanohíbridos basados en polioxometalato (POM), trazando un camino para la investigación en este ámbito de vanguardia de la ciencia de los materiales.
Se publicó un artículo de revisión que detalla sus hallazgos en la revista Polyoxometalates. el 30 de septiembre.
En las últimas décadas ha surgido una nueva clase de materiales a nanoescala, o más simplemente nanomateriales, en los que una sola unidad tiene dimensiones en el rango de 1 a 100 nanómetros. A esta escala, los materiales pueden exhibir propiedades físicas, químicas y biológicas únicas y, a menudo, mejoradas que difieren de los materiales más masivos o "a granel". Por ejemplo, los materiales a nanoescala pueden tener una relación superficie-volumen más alta, lo que puede aumentar su reactividad y capacidad para catalizar (iniciar o acelerar) reacciones químicas.
Quizás el nanomaterial más conocido sea el grafeno, pero los nanomateriales pueden construirse a partir de una amplia gama de sustancias, incluidos metales, semiconductores, cerámicas y polímeros. Más recientemente, los investigadores también han desarrollado nanohíbridos. Son sustancias que combinan dos o más tipos diferentes de nanomateriales.
De particular interés para los investigadores, especialmente aquellos que apuntan a hacer que la producción industrial sea más sustentable, son los nanohíbridos basados en polioxometalato (POM), que tienen propiedades catalíticas únicas dentro de las reacciones fotoelectroquímicas, aquellas que generan electricidad a partir de la luz o dividen el agua en hidrógeno y oxígeno producidos de manera limpia. . Esto convierte a los nanohíbridos de POM en candidatos prometedores para una amplia gama de aplicaciones, incluida la conversión y el almacenamiento de energía limpia, así como sensores y componentes electrónicos que no dependen del uso de fuentes de energía sucia.
Los POM son una clase muy amplia de compuestos inorgánicos baratos y estables que consisten en iones metálicos, típicamente metales de transición como el tungsteno o el molibdeno, unidos entre sí por átomos de oxígeno para formar una red tridimensional. Los POM suelen ser moléculas grandes y complejas que pueden tener una amplia gama de formas y tamaños, y exhiben una variedad de propiedades interesantes y útiles.
"Ha habido una explosión de investigación sobre nanohíbridos de POM en los últimos años, por lo que pensamos que era hora de hacer una pausa y producir una visión general del estado actual para identificar posibles lagunas y controversias en la investigación", dijo Guangjin Zhang, autor correspondiente del artículo de revisión y químico del Laboratorio Clave de Ingeniería y Procesos Verdes de las Academias de Ciencias de China.
Los artículos de revisión científica son una parte esencial del proceso científico y tienen como objetivo resumir y evaluar críticamente el estado actual del conocimiento sobre un tema particular en un campo de la ciencia determinado, evaluar la calidad y confiabilidad de la literatura existente y sugerir direcciones de investigación futuras.
Los autores de la revisión concluyen que lo que hace que los POM sean tan atractivos es cómo pueden mejorar las propiedades catalíticas fotoelectroquímicas del material nanohíbrido resultante. Esto se debe a que los POM pueden actuar como aceptores y donadores de electrones, lo que les permite facilitar la transferencia de carga eléctrica y mejorar la eficiencia de las reacciones relevantes. Mejor aún, los POM también pueden actuar como catalizadores, mejorando aún más las propiedades catalíticas del material nanohíbrido.
La revisión también explica la diferencia entre los nanohíbridos basados en POM binarios y ternarios:el primero consta de dos materiales funcionales a nanoescala y el segundo, de tres. Los nanohíbridos binarios combinan POM y un metal, POM y un semiconductor, o POM y un nanocarbono, mientras que los nanohíbridos ternarios combinan un POM, un metal y un nanocarbono.
Los autores señalan que los nanohíbridos binarios se han estudiado ampliamente y han mostrado resultados prometedores en una variedad de aplicaciones, incluidas la fotocatálisis, las pilas de combustible y los biosensores. Mientras tanto, los nanohíbridos ternarios tienen el potencial de combinar las propiedades únicas de tres materiales diferentes, lo que da como resultado una funcionalidad y versatilidad aún mayores.
Una de las áreas de investigación más prometedoras sobre nanohíbridos de ambos tipos basados en POM proviene de su uso en fotocatálisis, es decir, el uso de luz para impulsar reacciones químicas. Los nanohíbridos basados en POM tienen el potencial de mejorar la eficiencia de las reacciones fotocatalíticas, lo que podría tener aplicaciones importantes en campos como la conversión de energía solar y la remediación ambiental. Los nanohíbridos también pueden tener aplicaciones en pilas de combustible, que son dispositivos que convierten la energía química en energía eléctrica, como por ejemplo en el transporte impulsado por hidrógeno. Los nanohíbridos basados en POM tienen el potencial de mejorar la eficiencia y la durabilidad de las pilas de combustible.
Otra área no relacionada con la energía sostenible donde los nanohíbridos basados en POM son muy prometedores implica su aplicación en biosensores, dispositivos que detectan y miden sustancias biológicas o químicas en una muestra mediante cambios en señales eléctricas resultantes de reacciones bioquímicas. La gran superficie de los nanohíbridos y su capacidad para inmovilizar biomoléculas, entre otras propiedades, los hacen especialmente adecuados para su uso en este tipo de dispositivos.
Los investigadores ya han utilizado nanohíbridos basados en POM para desarrollar biosensores que pueden detectar sustancias como la simazina y el peróxido de hidrógeno con alta sensibilidad. Estos biosensores tienen el potencial de usarse en una amplia gama de aplicaciones, desde diagnóstico médico hasta monitoreo ambiental. Otras aplicaciones emergentes incluyen la purificación de agua, los semiconductores y la impresión 3D.
Uno de los principales desafíos que enfrentan los investigadores en este campo es que, si bien los nanohíbridos ternarios basados en POM ofrecen un rendimiento aún mayor, por el momento, la investigación aún está en sus inicios, con una comprensión más limitada de las propiedades y el comportamiento de los nanohíbridos ternarios. Sus aplicaciones potenciales aún se están explorando y puede haber desafíos relacionados con el desarrollo y la optimización de nanohíbridos ternarios para aplicaciones específicas. Además, para todos los tipos de nanohíbridos de POM, la solubilidad de las moléculas de POM en los híbridos puede degradar su rendimiento como catalizadores. Su dispersión no uniforme sobre y dentro de sustancias conductoras también sigue siendo un problema persistente, y cuando se combinan con metales u óxidos metálicos, el control del tamaño y la forma de las partículas es difícil.
Los autores sostienen que un mayor enfoque en una comprensión fundamental de la relación entre la estructura de los híbridos y su actividad química debería ayudar a superar estos obstáculos para aplicaciones más amplias, y piden una cooperación más amplia entre diferentes disciplinas para lograrlo.
Más información: Shuangshuang Zhang et al, Diseño y síntesis de nuevos nanohíbridos binarios y ternarios basados en polioxometalato para la conversión y el almacenamiento de energía, Polioxometalatos (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140037
Proporcionado por Tsinghua University Press
