La división del agua en sus partes de hidrógeno y oxígeno puede sonar a ciencia ficción, pero es el objetivo final de químicos e ingenieros químicos como Christopher Murray de la Universidad de Pennsylvania y Matteo Cargnello de la Universidad de Stanford.
Trabajan en un campo llamado fotocatálisis, que, en su forma más básica, utiliza la luz para acelerar las reacciones químicas. Se han acercado un paso más a tal hazaña al adaptar la estructura de un material llamado titania, uno de los mejoresfotocatalizadores conocidos, para acelerar la producción de hidrógeno a partir de compuestos derivados de la biomasa.
A través de una colaboración de cinco años con la Universidad de Drexel, la Universidad de Trieste en Italia, la Universidad de Cádiz en España y el Instituto Leibniz de Catálisis en Alemania, los investigadores determinaron que alargar los nanorods a 50 nanómetros, un tamaño 1,000 veces menor queel diámetro de un cabello aumentó la tasa de producción de hidrógeno de una forma rara de titania llamada brookita, solo accesible a nanoescala.
El uso de esta estructura cristalina única y el control de las dimensiones de nanorod ofrecen nuevas vías para diseñar la actividad del material y, dado que el proceso es teóricamente simple de replicar, incluso a gran escala, podría tener implicaciones reales para el futuro de la energía limpia yproducción sostenible de hidrógeno.
Los investigadores publicaron sus resultados en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
"Estas ideas son una pieza más en un rompecabezas importante mientras trabajamos para aprovechar los fenómenos exhibidos por los materiales de la Tierra", dijo Murray, profesor de Penn Integrates Knowledge y profesor de química e ciencia de los materiales de la Universidad Richard Perry.
Uno de esos materiales proviene del sol. "Una idea detrás de la fotocatálisis es, ¿qué pasaría si pudiéramos producir hidrógeno usando la luz solar de compuestos abundantes? No tendríamos que producirlo a partir de combustibles fósiles, lo que tiene efectos de calentamiento global", dijo Cargnello, un ex postdoc de Penn que ahora es profesor asistente de ingeniería química en Stanford.
"Si pudiéramos obtener ese hidrógeno de una fuente renovable, todo el proceso sería totalmente sostenible", dijo Paolo Fornasiero, profesor de ciencias químicas y farmacéuticas de la Universidad de Trieste que colaboró con el equipo de Murray en las mediciones de hidrógeno.
En su cara, el proceso suena sencillo: Titania absorbe la luz solar, lo que inicia una reacción química que genera hidrógeno. Pero los vehículos responsables de esta respuesta, llamados electrones y agujeros, tienden a saltar el arma, reaccionando entre sí casi inmediatamente debidoa sus cargos opuestos.
También ejecutan diferentes funciones, con los electrones cargados negativamente llevando a cabo reducciones, y los agujeros cargados positivamente realizando oxidaciones. "Lo que quieres es que ese electrón reduzca el agua a hidrógeno y ese agujero para oxidar el agua a oxígeno, de modo quela combinación de estas dos semirreacciones produce hidrógeno gaseoso por un lado y oxígeno gaseoso por el otro ", dijo Cargnello.
Para intentar evitar que los electrones y los agujeros reaccionen demasiado pronto, el equipo de investigación colocó espacio entre ellos usando nanorods con un tamaño preciso de 15 a 50 nanómetros, y finalmente determinó que la barra más larga resultó en la mejor actividad. Aunque los parámetros del experimento no lo hicieronPara permitirles construir más de 50 nanómetros, los científicos esencialmente habían forzado a los electrones y agujeros a reaccionar con el agua en lugar de entre ellos.
Cargnello dijo que lo que han aprendido puede ser un libro de jugadas para otros en el campo. "Si quieres tener fotocatalizadores más eficientes", dijo, "crea estructuras alargadas para crear estas carreteras para que los electrones escapen de los agujeros y reaccionen muchomás rápido con las moléculas "
Este equipo no es el primero en intentar tal experimento con titania, según Murray, quien tiene citas en la Escuela de Artes y Ciencias y en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. "Titania es abundante en la Tierra y no es tóxica, altamente deseable como material para la conversión de energía solar ", dijo." Muchos investigadores están trabajando para mejorar la eficiencia con la que utiliza el espectro solar ".
el equipo de Murray optó por utilizar la química de la fase de solución, un enfoque de abajo hacia arriba, en lugar de un proceso que muchos otros emplean llamado fabricación, que es de arriba hacia abajo.
"Con las estructuras fabricadas, tomas un gran trozo y lo cortas en características cada vez más pequeñas", dijo Cargnello. "Sin embargo, hay un límite de cuán pequeñas pueden ser estas estructuras, y la producción no es escalable.Murray lab, agregamos un átomo a otro para hacer los nanorods, con un control preciso a escala nanométrica y escalabilidad potencial ". El equipo de Jason Baxter en Drexel exploró la fotodinámica de estos sistemas".
Aunque el proceso químico se vuelve mucho más exacto, aún no ha llevado al equipo de Murray a ese sueño de dividir el agua pura. Hasta la fecha, los científicos han empleado compuestos derivados de la biomasa como los alcoholes, descomponiéndolos en hidrógeno y dióxido de carbono.
Que esto genere CO2 puede ser contrario al ideal de energía limpia, pero Cargnello tiene una respuesta a esta preocupación: las plantas absorberán y convertirán el CO2 descartado en biomasa adicional ". Esto nos daría un nivel cercano al carbono neutralciclo ", dijo. En este momento, eso es precisamente lo que está sucediendo." Los nanorods toman la luz y el compuesto derivado de la biomasa y los transforman en hidrógeno y CO2 ".
El hidrógeno ha demostrado ser muy prometedor como combustible alternativo libre de emisiones cuando no está hecho de gas natural. Sin embargo, un desafío para una amplia aceptación es el bajo costo y la conveniencia de los combustibles fósiles. Eso podría cambiar con el descubrimiento de materiales más eficientes capacesde producir hidrógeno a partir de la luz solar y abundantes compuestos a tasas más altas.
Entonces "podemos ser más competitivos con la producción de hidrógeno a partir de combustibles fósiles", dijo Cargnello. "Nuestro trabajo es un paso en esa dirección". \
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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