Aumentar la eficiencia de la producción sostenible de peróxido de hidrógeno
Un equipo de investigación ha descubierto una forma optimizada de producir peróxido de hidrógeno de manera más sostenible
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El peróxido de hidrógeno (H₂O₂) es una materia prima química versátil, cuya producción industrial se basa principalmente en un proceso que consume mucha energía y tiene un impacto medioambiental considerable. Una alternativa es producirlo utilizando un catalizador activado por la luz. En un proyecto de investigación internacional en el que participa el Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces, los investigadores han desarrollado ahora una estrategia de síntesis que les permite controlar con precisión la disposición espacial de los iones en un nitruro de carbono. El fotocatalizador resultante es tres veces más eficiente que los métodos de producción ecológicos convencionales. Los resultados se han publicado en la revista Advanced Materials.
Anna Lo Presti y Christian Mark Pelicano están trabajando con el fotocatalizador en el laboratorio.
© MPIKG/Neubauer
El peróxido de hidrógeno es un agente oxidante respetuoso con el medio ambiente. Al descomponerse, solo produce agua y oxígeno, por lo que también se le conoce como «sustancia química verde». A medida que crece la demanda, especialmente para el tratamiento respetuoso con el medio ambiente de las aguas residuales y la desinfección doméstica y médica, los volúmenes de producción siguen aumentando.
Para satisfacer esta demanda, el peróxido de hidrógeno se sigue produciendo principalmente mediante el denominado «proceso de la antraquinona», que conlleva elevados costes energéticos y tiene una huella de carbono considerable. La fotocatálisis es una alternativa prometedora. En este proceso, un material absorbe la luz y utiliza su energía para impulsar una reacción química sin recurrir a energías fósiles. La eficiencia de la reacción depende, entre otras cosas, de la facilidad con la que las cargas generadas por la luz pueden desplazarse a través del material y del tiempo que permanecen disponibles para impulsar la reacción.
Por ello, el grupo de investigación estudió cómo se podían influir estas propiedades ya desde la fase de ensamblaje químico del fotocatalizador. «En lugar de modificar la composición química de un fotocatalizador para hacerlo más eficiente, intentamos cambiar la forma en que se disponen los componentes básicos», explica el autor correspondiente, el Dr. Christian M. Pelicano, que dirige el grupo de investigación «SunThesis» en el Instituto Max Planck de Potsdam y lleva investigando este tema desde 2023.
Para lograrlo, los investigadores utilizaron cocristales iónicos orgánicos-inorgánicos. Estos permiten predecir con precisión cómo se distribuirán los iones a medida que los cristales se transforman térmicamente en el material final. Mediante este enfoque, el equipo desarrolló un material denominado «CALiK». Se trata de un nitruro de carbono cristalino perteneciente a la clase de materiales de la poliheptazina imida (PHI) y que contiene iones de litio y potasio en un entorno controlado espacialmente.
«Estos cristales ya se conocían, pero fuimos los primeros en utilizarlos como precursores de los nitruros de carbono. Lo que nos llamó la atención fue que contienen los mismos componentes químicos que los precursores que utilizamos habitualmente. La diferencia clave es que los iones ya están dispuestos de una manera específica, y nos preguntamos si esta disposición podría transferirse al material de nitruro de carbono», afirma Pelicano.
En los métodos de producción convencionales, estos iones suelen introducirse en el material de forma desordenada, utilizando una sal fundida. Esto solo ofrece un control limitado sobre su distribución espacial. Los experimentos comparativos con materiales producidos mediante otros métodos ayudaron al equipo a comprender la influencia de la estrategia de síntesis elegida, independientemente de la mera composición química.
Una disposición definida de los iones mejora el rendimiento fotocatalítico
En las condiciones analizadas, el CALiK produjo aproximadamente tres veces más peróxido de hidrógeno que el material de comparación preparado de forma convencional, el KPHI, y alrededor de un 40 % más que el material con mejor rendimiento analizado, el CALi, que contenía solo un tipo de catión. Al ser irradiado con luz de una longitud de onda de 410 nanómetros, el CALiK alcanzó un rendimiento cuántico aparente del 58 por ciento, el más alto entre los catalizadores comparados. Esta medida describe en qué medida los fotones de luz se convierten en electrones para participar en la reacción química.
«La disposición espacial de los iones en el material optimizado marca una diferencia considerable», afirma la autora principal, Anna Lo Presti, una química que está realizando su doctorado sobre este tema en el Instituto Max Planck. «Hemos podido demostrar por primera vez que no solo importa el tipo o la cantidad de iones, sino también su posición en la red cristalina».
Para investigar el motivo de este mejor rendimiento, los investigadores combinaron análisis estructurales con mediciones espectroscópicas y electroquímicas. Descubrieron que las cargas generadas por la luz se separan de forma más eficaz en el CALiK y, por lo tanto, permanecen disponibles para la reacción con el oxígeno durante más tiempo. Cálculos adicionales sugieren que la distribución espacial de los iones de litio modifica el entorno electrónico dentro del material, lo que facilita la activación del oxígeno. Cabe señalar, sin embargo, que los cálculos se basan en estructuras modelo simplificadas y, por lo tanto, aún no reflejan plenamente los procesos que tienen lugar en el material real. No obstante, el estudio ofrece un enfoque interesante e intuitivo para optimizar los fotocatalizadores poliméricos ya durante su síntesis.
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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