Los nanodiamantes pueden activarse como fotocatalizadores con la luz solar

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 el_CO2 o el N2 en hidrocarburos o amoníaco con la luz solar.

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 transformando_{el CO2} en valiosos hidrocarburos con la luz solar en el futuro, o incluso para convertir el N2 en amoníaco.