16.02.2021 - Uppsala University

Producción de hidrógeno más sostenible con puntos de polímero compuestos

El hidrógeno para uso energético puede extraerse de forma respetuosa con el medio ambiente a partir del agua y la luz solar, utilizando nanopartículas poliméricas compuestas fotocatalíticas desarrolladas por investigadores de la Universidad de Uppsala. En las pruebas de laboratorio, estos "puntos de polímero" mostraron un rendimiento y una estabilidad prometedores.

Cómo vamos a satisfacer la futura demanda de energía sostenible es una cuestión muy debatida. Un camino factible es el del hidrógeno, que puede producirse a partir de recursos renovables: agua y energía solar. Pero el proceso requiere lo que se conoce como fotocatalizadores. Tradicionalmente, éstos se han fabricado con materiales de base metálica que suelen ser tóxicos. En cambio, un grupo de investigación dirigido por Haining Tian, del Laboratorio Ångström de la Universidad de Uppsala, trabaja en el desarrollo de fotocatalizadores orgánicos de tamaño nanométrico - "puntos de polímero"- diseñados para ser respetuosos con el medio ambiente y rentables.

Como los puntos de polímero (Pdots) son tan diminutos, se distribuyen uniformemente en el agua. En comparación con los fotocatalizadores tradicionales, esto proporciona una mayor superficie de reacción, lo que significa que se puede almacenar más luz en forma de gas hidrógeno. El grupo de investigación ha desarrollado ahora un Pdot que contiene tres componentes. En las pruebas, la partícula ha mostrado un rendimiento catalítico y una estabilidad muy buenos.

"Combinar varios componentes que absorben la luz en diferentes longitudes de onda es la forma más fácil de crear un sistema en el que todas las superficies visibles capturen la luz. Pero conseguir que estos componentes funcionen bien juntos en un sistema fotocatalítico es todo un reto", afirma Haining Tian, profesor asociado (docente) de Química Física de la Universidad de Uppsala.

Para investigar el funcionamiento conjunto de los distintos componentes, Tian y sus colegas utilizaron técnicas espectroscópicas en las que el Pdot se exponía a la luz durante un tiempo determinado. Así pudieron seguir cómo se creaban los intermediarios fotoquímicos y, bajo la iluminación, desaparecían.

"Es emocionante ver que tanto la transferencia de energía ultrarrápida como la transferencia de electrones tienen lugar en una sola partícula, y que esto ayuda al sistema a aprovechar la luz y a separar la carga para el proceso catalítico", afirma la autora principal del estudio, Aijie Liu, investigadora postdoctoral del Departamento de Química - Laboratorio Ångström.

Los investigadores han conseguido optimizar el sistema de puntos de polímero de tres componentes para que catalice la conversión de energía solar en hidrógeno con una tasa de eficiencia del 7% a 600 nanómetros (nm). Esto es significativamente mejor que el 0,3% a 600 nm obtenido por el grupo cuando trabajaban con Pdots de un solo componente. Uno de los problemas anteriores era que los fotocatalizadores se degradaban prematuramente, pero ahora los investigadores no pudieron discernir ninguna degradación clara ni siquiera después de 120 horas de pruebas.

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