Etiquetas

, , ,

Artículo publicado el 16 de octubre de 2015 en el Instituto Max Planck

Un marco de trabajo orgánico sirve como catalizador para la conversión fotocatalítica del agua en hidrógeno.

La necesidad de la humanidad de energía es cada vez mayor. Sin embargo, las fuentes tradicionales de energía son finitas. Por contra, el agua y la luz abundan. Los científicos del Instituto Max Planck para Investigación del Estado Sólido en Stuttgart, y de la LMU Múnich han creado ahora un material que usa la luz para generar, a partir del agua, la versátil fuente de energía que es el hidrógeno. Este fotocatalizador polimérico es químicamente estable. Además, la tasa de producción de hidrógeno puede ajustarse finamente mediante pequeñas modificaciones estructurales del catalizador.

Hidrógeno

Molécula de hidrógeno

Encontrar un fotocatalizador capaz de dividir el agua no es una tarea sencilla. Se necesita una sustancia que use directamente la energía de la luz solar para separar los enlaces hidrógeno-oxígeno del agua. En laboratorio, esto se ha logrado con ciertas sustancias; sin embargo, el rendimiento a menudo es bajo y el uso cotidiano en la industria aún está lejos.

El Grupo de Investigación en Nanoquímica de Bettina Lotsch en el Instituto Max Planck para Investigación del Estado Sólido en Stuttgart y la Universidad Ludwig-Maximilians en Múnich (LMU), junto a teóricos que trabajan con Christian Ochsenfeld en LMU, han desarrollado un nuevo enfoque. Los científicos han creado lo que llaman COFs, covalent organic frameworks (marcos de trabajo orgánicos covalentes), que pueden producir hidrógeno.

Los COFs son polímeros porosos muy cristalinos en los que ciertas moléculas padre forman estructuras reticulares muy regulares en dos o tres dimensiones. Estas redes de polímeros poseen propiedades ópticas y electrónicas, así como un área de superficie relativamente grande que, en esencia, los hace unos candidatos interesantes para la evolución de fotocatalizadores de hidrógeno.

Aún más importante es la precisión molecular con la que tales fotocatalizadores pueden diseñarse y optimizarse. Los COFs son, por tanto, una útil plataforma para adaptar las propiedades del material y, de este modo, controlar de forma racional el proceso de fotocatálisis.

Migrando portadores de carga

Los fotocatalizadores deben contener portadores de carga que pueden excitarse usando luz visible, de forma que pueden moverse con relativa libertad y transferirse a un átomo distinto o molécula. Finalmente, son estos electrones los que se mueven a los protones de las moléculas de agua – creando de este modo hidrógeno elemental.

Los COFs creados en Stuttgart cumplían todos los prerrequisitos. Sin embargo, los científicos tuvieron que añadir nanopartículas de platino y un donante de electrones a su polímero en polvo. “Las nanopartículas de platino actúan como microelectrodos, en los cuales se transfieren electrones desde el COF a los protones para formar hidrógeno”, explica Vijay Vyas, científico en el Grupo de Investigación de Nanoquímica con sede en Stuttgart.

“Y el donante de electrones es necesario para eliminar la carga positiva residual del COF”, señala Vyas. Los científicos añadieron todos los ingredientes a una solución acuosa. Cuando la irradiaron con luz visible, la mezcla empezó a generar hidrógeno.

Los científicos no sólo estaban entusiasmados por el hecho de que los COFs formados pudiesen generar hidrógeno; también lograron regular la velocidad a la que el material lo creaba ajustando en detalle la geometría molecular de los bloques fundamentales y, por tanto, de las redes.

Para hacer esto, adaptaron el material precursor ­– un compuesto de trifelinareno – que usaron para fabricar el fotocatalizador. “Logramos una generación particularmente alta de hidrógeno cuando el compuesto precursor era casi plano”, comenta Vyas. El hallazgo coincide con los cálculos teóricos llevados a cabo en paralelo. “Ésta es la primera vez que somos capaces de ajustar las propiedades fotocatalíticas de un COF con una precisión a nivel molecular”, dice el científico del Max Planck.

En el futuro, los investigadores quieren usar estos hallazgos para desarrollar sus sustancias con unos objetivos definidos. Uno de estos objetivos es lograr una mejor comprensión del mecanismo fotocatalítico de estos sistemas, y ser capaces de perfeccionar la compleja interacción de los componentes individuales.

Del laboratorio a las aplicaciones prácticas

A pesar de este éxito inicial, estos materiales aún están lejos de poder usarse como alternativa para la generación industrial de hidrógeno usando agua y luz solar. Por ejemplo, la preparación del material tiene que ser rentable en grandes cantidades para generar hidrógeno de forma estable a lo largo de grandes periodos de tiempo. A pesar de estos, y otros, problemas que deben ser abordados, Vijay Vyas considera que es muy probable que la humanidad algún día sea capaz de producir hidrógeno de modo eficiente usando luz, agua, y un material simple basado en el carbono.

El hidrógeno obtenido en un entorno tan amigable con el medio ambiente podría tener aplicaciones muy diversas. Los escenarios ya previstos incluyen su uso como combustible para vehículos, o para producir portadores de energía basados en el carbono. En células de combustible, la electricidad podría generarse usando hidrógeno (y oxígeno). El hidrógeno actualmente se usa en la industria para fabricar muchos compuestos químicos importantes que podrían también estar disponibles de un modo más sostenible. Actualmente, en su mayor parte de obtienen usando materiales fósiles en crudo.

Anuncios