IMÁGEN: Un nuevo fotocatalizador formado por láminas de óxido metálico a nanoescala y una molécula de colorante de rutenio puede generar H2 a partir del agua utilizando la luz visible. ver más
Crédito: Tokyo Tech
En consonancia con el agotamiento de los combustibles fósiles y los problemas medioambientales a los que se enfrenta nuestro planeta debido a su combustión, el desarrollo de tecnología para la generación de energía limpia es un tema de interés mundial. Entre los diversos métodos propuestos para generar energía limpia, la división fotocatalítica del agua se muestra muy prometedora. Este método utiliza la energía solar para dividir las moléculas de agua (H2O) y obtener dihidrógeno (H2). El H2 puede utilizarse como combustible sin carbono o como materia prima en la producción de muchos productos químicos importantes.
Ahora, un equipo de investigación dirigido por Kazuhiko Maeda en el Tokyo Tech ha desarrollado un nuevo fotocatalizador formado por láminas de óxido metálico a nanoescala y una molécula de colorante de rutenio, que funciona según un mecanismo similar al de las células solares sensibilizadas por colorante. Mientras que los óxidos metálicos que son fotocatalíticamente activos para la división global del agua en H2 y O2 tienen amplias brechas de banda, los óxidos sensibilizados por colorantes pueden utilizar la luz visible, el principal componente de la luz solar (Figura 1). El nuevo fotocatalizador es capaz de generar H2 a partir del agua con una frecuencia de recambio de 1960 por hora y un rendimiento cuántico externo del 2,4%.
Estos resultados son los más altos registrados para fotocatalizadores sensibilizados por colorantes bajo luz visible, lo que acerca al equipo de Maeda al objetivo de la fotosíntesis artificial, que consiste en replicar el proceso natural de utilización del agua y la luz solar para producir energía de forma sostenible.
El nuevo material, del que se informa en Journal of the American Chemical Society, está construido a partir de nanoplanchas de niobato de calcio de alta superficie (HCa2Nb3O10) intercaladas con nanoclusters de platino (Pt) como sitios de evolución del H2. Sin embargo, las nanoplanchas modificadas con platino no funcionan solas, ya que no absorben la luz solar con eficacia. Así que una molécula de colorante de rutenio que absorbe la luz visible se combina con la nanohoja, lo que permite la evolución de H2 impulsada por el sol (Figura 2).
Lo que hace que el material sea eficiente es el uso de las nanohojas, que pueden obtenerse por exfoliación química de la HCa2Nb3O10 laminar. La alta superficie y la flexibilidad estructural de las nanohojas maximizan la carga de colorante y la densidad de los sitios de evolución de H2, lo que a su vez mejora la eficiencia de la evolución de H2. Además, para optimizar el rendimiento, el equipo de Maeda modificó las nanohojas con alúmina amorfa, que desempeña un papel importante en la mejora de la eficiencia de la transferencia de electrones. «La modificación de las nanohojas con alúmina favorece la regeneración del colorante durante la reacción, sin obstaculizar la inyección de electrones desde el colorante en estado excitado a la nanohoja, que es el paso principal de la evolución del H2 sensibilizada por el colorante», afirma Maeda.
«Hasta hace poco, se consideraba muy difícil conseguir la evolución del H2 a través de la división global del agua bajo luz visible utilizando un fotocatalizador sensibilizado por el colorante con alta eficiencia», explica Maeda. «Nuestro nuevo resultado demuestra claramente que esto sí es posible, utilizando un híbrido molécula-nanomaterial cuidadosamente diseñado».
Todavía hay que investigar más, ya que será necesario optimizar aún más el diseño del fotocatalizador híbrido para mejorar la eficiencia y la durabilidad a largo plazo. La división fotocatalítica del agua puede ser un medio crucial para satisfacer las demandas energéticas de la sociedad sin dañar más el medio ambiente, y estudios como éste son peldaños esenciales para alcanzar nuestro objetivo de un futuro más verde.