02.12.2021 - Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Nuevo fotocatalizador fabricado a partir de un aerogel para una producción de hidrógeno más eficiente

Aireado y eficiente

Investigadores de la ETH de Zúrich han desarrollado un nuevo fotocatalizador fabricado a partir de un aerogel que podría permitir una producción de hidrógeno más eficiente. La clave está en un sofisticado pretratamiento del material.

Los aerogeles son materiales extraordinarios que han batido más de una docena de récords Guinness, entre ellos el de ser los sólidos más ligeros del mundo.

El profesor Markus Niederberger, del Laboratorio de Materiales Multifuncionales de la ETH de Zúrich, lleva tiempo trabajando con estos materiales especiales. Su laboratorio está especializado en aerogeles compuestos por nanopartículas semiconductoras cristalinas. "Somos el único grupo del mundo que puede producir este tipo de aerogeles con una calidad tan alta", afirma.

Uno de los usos de los aerogeles basados en nanopartículas es como fotocatalizadores. Se emplean siempre que es necesario activar o acelerar una reacción química con la ayuda de la luz solar; un ejemplo es la producción de hidrógeno.

El material elegido para los fotocatalizadores es el dióxido de titanio (TiO2), un semiconductor. Pero el TiO2 tiene una gran desventaja: sólo puede absorber la parte ultravioleta de la luz solar, apenas un 5% del espectro. Para que la fotocatálisis sea eficaz y tenga utilidad industrial, el catalizador debe ser capaz de utilizar una gama más amplia de longitudes de onda.

Ampliar el espectro con el dopaje de nitrógeno

Por eso, la estudiante de doctorado de Niederberger, Junggou Kwon, ha buscado una nueva forma de optimizar un aerogel hecho de nanopartículas de TiO2. Y tuvo una idea brillante: si el aerogel de nanopartículas de TiO2 se "dopa" (por utilizar el término técnico) con nitrógeno, de forma que los átomos de oxígeno individuales del material se sustituyan por átomos de nitrógeno, el aerogel puede absorber más porciones visibles del espectro. El proceso de dopaje deja intacta la estructura porosa del aerogel. El estudio sobre este método se ha publicado recientemente en la revista Applied Materials & Interfaces.

Kwon fabricó primero el aerogel con nanopartículas de TiO2 y pequeñas cantidades del metal noble paladio, que desempeña un papel fundamental en la producción fotocatalítica de hidrógeno. A continuación, colocó el aerogel en un reactor y lo infundió con gas amoníaco. Esto hizo que los átomos de nitrógeno individuales se incrustaran en la estructura cristalina de las nanopartículas de TiO2.

El aerogel modificado hace que la reacción sea más eficaz

Para comprobar si un aerogel modificado de este modo aumenta realmente la eficacia de una reacción química deseada -en este caso, la producción de hidrógeno a partir de metanol y agua-, Kwon desarrolló un reactor especial en el que colocó directamente el monolito de aerogel. A continuación, introdujo un vapor de agua y metanol en el aerogel del reactor antes de irradiarlo con dos luces LED. La mezcla gaseosa se difunde a través de los poros del aerogel, donde se convierte en el hidrógeno deseado en la superficie de las nanopartículas de TiO2 y paladio.

Kwon detuvo el experimento al cabo de cinco días, pero hasta ese momento la reacción era estable y procedía continuamente en el sistema de prueba. "El proceso probablemente habría sido estable durante más tiempo", afirma Niederberger. "Especialmente en lo que respecta a las aplicaciones industriales, es importante que sea estable durante el mayor tiempo posible". Los investigadores también quedaron satisfechos con los resultados de la reacción. La adición del metal noble paladio aumentó significativamente la eficiencia de la conversión: el uso de aerogeles con paladio produjo hasta 70 veces más hidrógeno que los que no lo tenían.

Aumento del flujo de gas

Este experimento sirvió a los investigadores principalmente como estudio de viabilidad. Como nueva clase de fotocatalizadores, los aerogeles presentan una estructura tridimensional excepcional y ofrecen potencial para muchas otras reacciones interesantes en fase gaseosa, además de la producción de hidrógeno. En comparación con la electrólisis que se utiliza habitualmente en la actualidad, los fotocatalizadores tienen la ventaja de que podrían utilizarse para producir hidrógeno utilizando únicamente luz en lugar de electricidad.

Todavía no se sabe si el aerogel desarrollado por el grupo de Niederberger llegará a utilizarse a gran escala. Por ejemplo, todavía queda por saber cómo acelerar el flujo de gas a través del aerogel; por el momento, los poros extremadamente pequeños dificultan demasiado el flujo de gas. "Para que este sistema funcione a escala industrial, primero tenemos que aumentar el flujo de gas y también mejorar la irradiación de los aerogeles", afirma Niederberger. Él y su grupo ya están trabajando en estas cuestiones.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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