Investigadores de la Universidad Estatal de Oregón han desarrollado un material que muestra una notable capacidad para convertir la luz solar y el agua en energía limpia.
Una colaboración liderada por Kyriakos Stylianou de la Facultad de Ciencias de OSU ha desarrollado un fotocatalizador que permite la producción de hidrógeno a alta velocidad y alta eficiencia, que se utiliza en pilas de combustible de vehículos, así como en la fabricación de muchos productos químicos, incluido el amoníaco, para refinamiento. En la fabricación de metales y plásticos.
Los hallazgos representan una nueva herramienta potencial para usar contra las emisiones de gases de efecto invernadero y el cambio climático, dijo Stylianou, cuya investigación se centra en materiales cristalinos y porosos conocidos como estructuras metalorgánicas, comúnmente abreviadas como MOF.
Compuestos por iones metálicos cargados positivamente rodeados por moléculas orgánicas “enlazadoras”, los MOF tienen poros de tamaño nanométrico y propiedades estructurales ajustables. Se pueden diseñar con una variedad de materiales que determinan las propiedades del MOF.
En este estudio, los investigadores utilizaron un MOF con una heterounión de óxido metálico (una combinación de dos materiales con propiedades complementarias) para crear un catalizador que divide rápida y eficientemente el agua en hidrógeno cuando se expone a la luz solar.
La heterounión, a la que llaman RTTA, consta de óxido de rutenio derivado de MOF y óxido de titanio dopado con azufre y nitrógeno. Probaron varios RTTA con diferentes cantidades de óxido y encontraron un claro ganador.
“Entre los diversos materiales RTTA, RTTA-1, con el menor contenido de óxido de rutenio, exhibió la tasa de producción de hidrógeno más rápida y un alto rendimiento cuántico”, dijo Stylianou.
En sólo una hora, señaló, un gramo de RTTA-1 era capaz de producir 10.700 micromoles de hidrógeno. Este proceso utilizó fotones (partículas de luz) a una tasa impresionante del 10%, lo que significa que por cada 100 fotones que impactaron en RTTA-1, 10 contribuyeron a la producción de hidrógeno.
“La notable actividad de RTTA-1 se debe al efecto sinérgico de las propiedades del óxido metálico y las propiedades de la superficie del MOF original que mejoran la transferencia de electrones”, dijo Stylianou. “Este estudio destaca el potencial de las heterouniones de óxido metálico derivadas de MOF como fotocatalizadores para la producción práctica de hidrógeno, contribuyendo al desarrollo de soluciones energéticas sostenibles y eficientes”.
Producir hidrógeno mediante la división del agua mediante un proceso catalítico es más limpio que el método convencional de extraer hidrógeno del gas natural mediante un proceso de producción de dióxido de carbono conocido como reformado con vapor de metano.
Los procesos catalíticos actuales para producir hidrógeno a partir de agua implican electrocatálisis: hacer pasar electricidad a través del catalizador. La sostenibilidad de la electrocatálisis depende del uso de energías renovables y la energía debe ser barata para ser competitiva en el mercado.
Actualmente, el reformado con vapor de metano produce hidrógeno a un costo de alrededor de 1,50 dólares por kilogramo, en comparación con alrededor de 5 dólares por kilogramo del hidrógeno verde.
“El agua es una fuente abundante de hidrógeno y la fotocatálisis ofrece un método para utilizar la abundante energía solar de la Tierra para producir hidrógeno”, dijo Stylianou. “El óxido de rutenio no es barato, pero la cantidad utilizada en nuestro fotocatalizador es mínima. Para aplicaciones industriales, si un catalizador muestra buena estabilidad y reproducibilidad, el coste de esta pequeña cantidad de óxido de rutenio se vuelve menos importante”.
La Facultad de Ciencias, el departamento de química de la universidad y los profesores jubilados de escuelas públicas y ex alumnos de OSU, Brian y Marilyn Kleiner, proporcionaron fondos para la investigación, que fue publicada. Quimica APLICADA.
El proyecto fue dirigido por los estudiantes de posgrado Emmanuel Musa, Ankit Yadav y Kyle Smith, e implicó la colaboración con el profesor de química de OSU Shiulei “David” Ji; Peter Eschbach, director de las instalaciones de microscopía electrónica del Centro de Ciencias Linus Pauling del estado de Oregón; el investigador postdoctoral Min Soo Jung; y el miembro de la facultad de cortesía William Stickle.