29/11/2018 - Desarrollan un nuevo catalizador para la producción solar fotocatalítica de hidrógeno a partir de la separación del agua

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El hidrógeno es un portador de energía seguro y limpio, razón por la que se dedican muchos recursos científicos a investigar su producción, sobre todo a partir de fuentes de energía renovable. Una de las muchas vías con las que generar hidrógeno es la separación del agua mediante energía solar con ayuda de fotocatalizadores.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Liverpool respaldados en parte por el proyecto financiado con fondos europeos, el proyecto DYNAPORE han sintetizado un nuevo material orgánico para la producción solar fotocatalítica de hidrógeno a partir de la separación del agua.

Sus resultados se publicaron recientemente en la revista científica Nature Chemistry.

Tecnología prometedora

El equipo de trabajo desarrolló el fotocatalizador mediante una combinación de experimentos y labores de computación. La tecnología de separación del agua por medios fotocatalíticos solares es muy prometedora y podría generar una gran cantidad de energía sin crear subproductos contaminantes. Claro que esto solo sería posible si la eficiencia en la obtención de energía solar fuese elevada, tal y como indica el equipo de investigación de la propia universidad. «Los materiales inorgánicos tienen más tradición como catalizadores en la separación del agua, pero también es posible producir catalizadores orgánicos a partir de elementos abundantes y baratos como el carbono, el nitrógeno y el azufre». Xiaoyan Wang, doctorando en química que dirigió los experimentos en la Universidad, declaró: «Para alcanzar velocidades de evolución del hidrógeno elevadas es necesario alcanzar una afinidad hídrica buena, una adsorción amplia de luz, un área superficial extensa y cristalinidad acrecentada. Si unimos todas estas características en un material conseguimos un fotocatalizador muy activo».

Estabilidad y eficacia

En el artículo se explica que las moléculas orgánicas se emplean en el entorno natural «para recolectar luz y realizar la fotosíntesis, pero la mayoría de los catalizadores artificiales separadores de agua son semiconductores inorgánicos». El equipo añadió además la siguiente información: «Los fotocatalizadores orgánicos son interesantes debido a su capacidad de ajuste por medios sintéticos, pero suelen ofrecer eficiencias cuánticas bajas de cara a la separación del agua. Aquí presentamos un marco orgánico covalente (COF, por sus siglas en inglés) cristalino basado en una fracción de benzo-bis (benzotiofeno sulfona) que tiene una actividad para la evolución del hidrógeno fotoquímico mucho mayor que sus equivalentes amorfos o semicristalinos».

Hicieron hincapié en el que el «COF es estable ante la irradiación visible a largo plazo y muestra una evolución fotoquímica del hidrógeno constante con un donante de electrones sacrificial durante al menos cincuenta horas». Los científicos atribuyen la eficiencia cuántica elevada del «COF unido a la sulfona a su cristalinidad, su absorción elevada de la luz visible y a sus mesoporos humectables e hidrófilos de 3,2 nm». Aducen que el impacto de estos poros en el marco ofrece «un 61 % más de aceleración en la velocidad de evolución del hidrógeno hasta 16,3 mmol g−1 h−1. El COF también retuvo su actividad fotocatalítica al depositarse como una película fina en un sustrato».

Los COF se han ganado una buena dosis de atención recientemente como fotocatalizadores prometedores de la evolución del hidrógeno. Se tratan de un tipo relativamente nuevo de polímeros orgánicos cristalinos compuestos por elementos ligeros como el oxígeno, el boro y el nitrógeno y que están conectados por enlaces covalentes fuertes para formar estructuras porosas rígidas. Los enlaces covalentes son las uniones interatómicas que se producen cuando dos átomos comparten un par de electrones. Las aplicaciones de los COF incluyen muchos ámbitos como la catálisis, la electrónica orgánica y el almacenamiento de energía, circunstancia que las convierte en un tema candente de investigación.

Proyecto DYNAPORE

El proyecto DYNAPORE (Dynamic responsive porous crystals) que aportó financiación para el estudio se propone “desarrollar capacidades experimentales y computacionales multidisciplinarias y sinérgicas con las que controlar las dinámicas de los sólidos porosos cristalinos flexibles, y demostrarlas en labores de catálisis y separación”.

Este proyecto también “aborda la visión a largo plazo de lograr materiales artificiales dotados de selectividad química y eficacia funcional producidos mediante flexibilidad estructural dinámica”.

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