Clase de material fotocatalítico: grandes expectativas reforzadas

Las imidas de poliheptazina pertenecen a la familia de los nitruros de carbono, compuestos en capas similares al grafeno formados por unidades anulares ricas en nitrógeno. A diferencia del grafeno, que presenta una excelente conductividad eléctrica pero carece de actividad fotocatalítica, las imidas de poliheptazina poseen huecos de banda adecuados para la absorción de luz visible.

Los materiales basados en nitruro de carbono impresionan por su bajo coste de producción, su no toxicidad y su estabilidad térmica. Sin embargo, la primera generación de estos materiales no eran fotocatalizadores ideales, ya que poseían propiedades que dificultaban la separación de cargas. Si un material tiene una baja separación de cargas, el electrón excitado por un fotón entrante se recombina rápidamente con el hueco del que salió propulsado, y libera energía sólo en forma de calor o luz. No hay energía disponible para impulsar reacciones químicas. "Las imidas de poliheptazina que contienen iones metálicos cargados positivamente presentan una separación de cargas notablemente mejorada. Esta característica las hace muy adecuadas para aplicaciones prácticas", afirma la Dra. Zahra Hajiahmadi, primera autora.

La informática reduce las opciones

Por ejemplo, se necesitan mejores materiales para aprovechar el potencial económico de reacciones fotocatalíticas como la división del agua (para producir hidrógeno como combustible), la reducción del dióxido de carbono (para producir carbohidratos básicos como combustibles o productos químicos industriales) o la producción de peróxido de hidrógeno (como producto químico industrial básico). Para diseñar con éxito un material de imida de poliheptazina que catalice sin problemas una reacción deseada, los investigadores tienen que afinar todos los aspectos del material. Obviamente, esto no puede hacerse sintetizando todos los posibles materiales candidatos. Aquí es donde la informática acude al rescate.

"El espacio de diseño es enorme", afirma el profesor Thomas D. Kühne, director de CASUS, jefe del equipo de investigación "Teoría de sistemas complejos" y autor principal de la nueva publicación. "Se pueden, por ejemplo, añadir grupos funcionales en la superficie o sustituir determinados átomos de nitrógeno o carbono por átomos de oxígeno o fósforo". El grupo de Kühne en CASUS está desarrollando técnicas numéricas novedosas que sean lo más eficientes posible y, al mismo tiempo, reproduzcan cualitativamente la química y la física correctas del sistema subyacente.

Encontrar el material perfecto de forma sistemática

La investigación de Hajiahmadi se centró en la característica clave de las imidas de poliheptazina: los poros cargados negativamente que pueden equiparse con iones metálicos cargados positivamente. Esta configuración puede mejorar enormemente la actividad catalítica. El trabajo de Hajiahmadi es el primer estudio exhaustivo sobre la influencia de distintos iones metálicos en las propiedades optoelectrónicas de las imidas de poliheptazina. En total, se analizaron 53 iones metálicos diferentes y se clasificaron en función de su ubicación (en el plano o entre las capas) y su efecto en la geometría del material (provocando o no una distorsión).

"Utilizamos un marco computacional fiable y reproducible que va más allá de los enfoques de modelización convencionales", afirma Hajiahmadi. "Los estudios computacionales habituales de los fotocatalizadores suelen centrarse en las propiedades del estado de reposo y no tienen en cuenta los efectos del estado de excitación, a pesar de que la fotocatálisis está impulsada intrínsecamente por portadores de carga fotoexcitados. En concreto, empleamos métodos de teoría de perturbaciones de muchos cuerpos". Partiendo de un sistema no interactivo de fácil solución, estos métodos tratan las interacciones como pequeñas perturbaciones. Los efectos de las interacciones se calculan como pequeñas correcciones de la solución conocida. Al final, todas las expansiones matemáticas dan como resultado una aproximación de cómo grandes grupos de partículas se influyen mutuamente. Debido a su elevado coste computacional, estos métodos rara vez se utilizan en este campo. Pero el estudio presentado confirma claramente que los beneficios son abrumadores, ya que el nuevo marco computacional permite una descripción cualitativamente precisa de la absorción óptica y la estructura electrónica de un material bajo iluminación.

Utilizando este enfoque, los científicos investigaron sistemáticamente cómo influyen los distintos iones metálicos en la geometría de la red polimérica de imida de poliheptazina. Los resultados muestran que la incorporación de iones puede inducir distintas distorsiones estructurales, incluidos cambios en el espaciado de las capas y en los entornos de enlace locales. Estas modificaciones geométricas afectan directamente a la estructura de banda electrónica y al comportamiento óptico, incluida la eficiencia de captación de luz.

Para validar las predicciones teóricas, se sintetizaron ocho imidas de poliheptazina, cada una equipada con un metal diferente, y se comprobó su idoneidad para catalizar la producción de peróxido de hidrógeno. "Los resultados mostraron claramente un alto grado de concordancia con nuestras predicciones y superaron a los métodos de cálculo de la competencia", concluye Hajiahmadi. Kühne añade: "Si había alguna duda de que las imidas de poliheptazina fueran una de las plataformas más prometedoras para las tecnologías fotocatalíticas de próxima generación, creo que este trabajo las despeja. El camino hacia el diseño específico de fotocatalizadores eficientes de imidas de poliheptazina para reacciones sostenibles es ahora más claro. Creo firmemente que se tomará a menudo y con éxito".