Más cerca de la receta perfecta para producir combustibles solares

Un equipo de investigadores de China y el Reino Unido encontró nuevas formas de optimizar la combinación de materiales y métodos para la producción de combustibles solares.

Sus hallazgos se han publicado en dos artículos, uno en la revista Applied Surface Science y el otro en Optical Materials.

El hidrógeno es una fuente de energía de cero emisiones que se puede producir a partir del agua usando energía solar y ofrece un gran potencial para ayudar a mitigar la crisis climática. El proceso de producción de hidrógeno a partir del agua se denomina ‘división del agua’ porque descompone el agua en sus dos elementos, hidrógeno y oxígeno. La división del agua requiere un fotocatalizador semiconductor, una sustancia o compuesto que absorbe la luz solar y luego usa su energía para el proceso de división.

Sin embargo, los fotocatalizadores de semiconductores para la división del agua varían en su eficiencia. Mediante el uso de combinaciones novedosas de métodos y materiales para crear nuevos tipos de fotocatalizadores, los investigadores han mejorado la eficiencia de la producción de hidrógeno.

El Dr. Graham Dawson, quien dirigió los estudios en la Universidad Xi’an Jiaotong-Liverpool, explica en un comunicado: ‘Al agregar materiales como el oro o el nitrato de boro a nuestros fotocatalizadores usando métodos de mezcla particulares, podemos aumentar la cantidad de luz que se absorbe.

‘Cuanta más luz se absorbe, más energía adecuada hay para la división del agua y, por lo tanto, aumenta la producción de hidrógeno’, dice.

La modificación de los materiales comúnmente utilizados como fotocatalizadores ayuda a superar sus limitaciones, dice el primer autor del artículo en Applied Surface Science, Yanan Zhao. 

Uno de los materiales más utilizados es el dióxido de titanio. ‘El dióxido de titanio puede aprovechar la energía directamente del sol con una contaminación insignificante y muestra un gran potencial en el desarrollo de tecnologías relacionadas con la energía solar’, dice.

‘Sin embargo, solo puede activarse con la luz ultravioleta, que representa solo el 7 % de la luz solar. No puede absorber la energía de la luz visible’, explica Zhao, quien recibió su maestría en química de XJTLU y obtuvo una beca de doctorado en la Universidad de Dakota del Norte.

Los investigadores encontraron que agregar nitruro de boro a una forma de dióxido de titanio produjo un fotocatalizador que puede absorber la energía de más longitudes de onda que la luz ultravioleta. El nitruro de boro, un compuesto de boro y nitrógeno, tiene una buena conductividad eléctrica y puede soportar temperaturas de hasta 2000 °C.

Zhao explica el proceso: ‘Para preparar el material fotocatalítico compuesto, combinamos nitruro de boro con nanotubos de titanato, que son estructuras similares a tubos con dimensiones medidas en nanómetros: un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro.

‘Al optimizar la proporción de nitruro de boro a nanotubos de titanato y usar procesos químicos para combinar los compuestos, producimos un fotocatalizador compuesto muy estable. Puede absorber luz de una gama más amplia de longitudes de onda y producir más hidrógeno en comparación con los métodos tradicionales de mezcla física’.

En el segundo estudio, publicado en Optical Materials, el equipo del Dr. Dawson encontró una opción adicional para mejorar la eficiencia fotocatalítica en la división del agua. Cubrieron las superficies de tipos específicos de estructuras fotocatalíticas con un tamaño específico de nanopartículas de oro, aumentando así la cantidad de luz que podían absorber.

Shiqi Zhao, el primer autor de este estudio, explica: ‘La estructura del material fotocatalítico utilizado es muy importante. En este estudio, utilizamos dos formas de nanoestructuras fotocatalíticas: nanoláminas y nanotubos. Las cubrimos con partículas de oro de diferentes tamaños para ver qué combinación produjo la mayor cantidad de hidrógeno del agua.

‘Nuestros resultados mostraron que las nanoláminas modificadas con partículas de oro pequeñas y uniformes tenían el mejor rendimiento fotocatalítico de los materiales que probamos. Estas nanoestructuras recubiertas de oro mostraron aproximadamente 36 veces más rendimiento de producción de hidrógeno fotocatalítico que los nanotubos no modificados’, continúa.

‘Esto proporciona una nueva comprensión de cómo los materiales fotocatalíticos semiconductores se pueden modificar con nanopartículas de oro y tiene aplicaciones valiosas en los campos de producción de hidrógeno fotocatalítico, células solares y sensores ópticos’.