Los nanodiamantes pueden activarse como fotocatalizadores con la luz solar
Estos materiales baratos podrían ser la clave para seguir transformando el CO₂ en valiosos hidrocarburos con la luz solar en el futuro
Los materiales de nanodiamante tienen potencial como fotocatalizadores de bajo coste. Pero hasta ahora, estas nanopartículas de carbono necesitaban una luz ultravioleta de alta energía para ser activas. Por ello, el consorcio DIACAT ha producido y analizado variaciones de materiales de nanodiamante. El trabajo lo demuestra: Si la superficie de las nanopartículas está ocupada por suficientes átomos de hidrógeno, incluso la energía más débil de la luz solar azul es suficiente para la excitación. Los futuros fotocatalizadores basados en nanodiamantes podrían ser capaces de convertir elCO2 o el N2 en hidrocarburos o amoníaco con la luz solar.
La ilustración muestra dos variantes de materiales de nanodiamante con superficies diferentes: C230H106 a la izquierda, C286H68 a la derecha. Átomos Sp3 C (diamante) negro, átomos sp3x C (tipo fullereno) marrón, átomos H: Gris claro. Cuando la superficie está parcialmente cubierta por átomos de hidrógeno, los nanodiamantes pueden absorber la luz en el rango visible y emitir electrones en la solución.
T. Kirschbaum / HZB
Los materiales de nanodiamante tienen un gran potencial como catalizadores. Las baratas nanopartículas de carbono ofrecen superficies muy grandes en comparación con su volumen. Sin embargo, para acelerar catalíticamente las reacciones químicas en un medio acuoso, los electrones del catalizador tienen que pasar a la solvatación y esto requiere en los materiales de diamante puro una luz ultravioleta de alta energía para su excitación. Por otro lado, los tamaños extremadamente pequeños de las nanopartículas permiten nuevos estados moleculares en las superficies de los nanodiamantes que también absorben la luz visible.
Superficies diferentes
Como parte del proyecto DIACAT, un equipo del HZB ha investigado diferentes variantes de materiales de nanodiamante durante la excitación con luz y ha analizado los procesos con una resolución temporal extremadamente alta. El grupo del Dr. Jean-Charles Arnault, del CEA (Francia), y la profesora Anke Krueger, ahora en la Universidad de Stuttgart, produjeron muestras de nanodiamante con distintas químicas de superficie. Las nanopartículas diferían en sus superficies, que contenían diferentes cantidades de átomos de hidrógeno u oxígeno.
El hidrógeno ayuda, y también el carbono fullereno
"El hidrógeno en las superficies facilita la emisión de electrones", explica el Dr. Tristan Petit, experto en nanodiamante de HZB. "Entre las muchas variantes, descubrimos que una determinada combinación de hidrógeno y carbono tipo fullereno en la superficie de las nanopartículas es ideal", afirma.
Excitaciones láser ultrarrápidas
En el Laserlab de HZB estudiaron dispersiones acuosas de nanodiamante con diferentes terminaciones superficiales, como hidrógeno, -OH o -COOH, tras excitarlas con pulsos láser ultrarrápidos. "Pudimos medir experimentalmente cómo se comporta el perfil de absorción con diferentes longitudes de onda de excitación en el rango UV a 225 nm y con luz azul en el rango visible a 400 nm", explica el Dr. Christoph Merschjann, del HZB.
Picosegundos después de la excitación
"Queríamos averiguar qué ocurre en los primeros picosegundos cruciales tras la excitación con luz, porque ese es el momento en el que un electrón abandona la superficie y se adentra en el agua", dice Merschjann. El equipo de teoría dirigido por la Dra. Annika Bande contribuyó con la modelización con la teoría del funcional de la densidad para interpretar los espectros. Los datos mostraron, como se esperaba, que la luz ultravioleta lleva los electrones a la solución en todas las muestras, pero en el caso de las que tenían carbono tipo fullereno en su superficie, esto también se consiguió con luz visible.
La luz azul puede funcionar
"En este trabajo demostramos -hasta donde sabemos, por primera vez- que la emisión de electrones disueltos a partir de nanodiamantes en agua es posible con luz visible", resume Petit los resultados. Se trata de un paso decisivo hacia la apertura de los materiales de nanodiamante como fotocatalizadores. Estos materiales, baratos y sin metales, podrían ser la clave para seguir transformandoel CO2 en valiosos hidrocarburos con la luz solar en el futuro, o incluso para convertir el N2 en amoníaco.
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