Encontrar combustibles sostenibles y limpios es fundamental en la crisis energética y climática mundial actual. Un candidato prometedor que está ganando cada vez más interés es el hidrógeno. Sin embargo, la producción industrial de hidrógeno actual todavía genera importantes emisiones de CO2 huella de carbono, especialmente considerando procesos como el reformado con vapor o la electrólisis no sostenible.
El equipo dirigido por el prof. Por lo tanto, Dominika Eder del Instituto de Química de Materiales (TU Wien) se está enfocando en desarrollar procesos amigables con el medio ambiente para obtener hidrógeno, por ejemplo, por fotocatálisis. Este proceso permite la conversión de moléculas de agua en hidrógeno con la ayuda de la luz y un catalizador. A través de este proceso, se puede almacenar energía solar abundante y limpia en los enlaces químicos de este llamado combustible solar. Los resultados del equipo se publicaron en una revista. Materiales energéticos avanzados.
Nuevos fotocatalizadores
En la producción de hidrógeno verde por fotocatálisis, el catalizador juega un papel clave. A diferencia de los catalizadores industriales, el fotocatalizador utiliza la energía de la luz para facilitar la descomposición del agua a temperatura ambiente y presión ambiental. Entre los candidatos más prometedores para este catalizador se encuentran las estructuras organometálicas, las denominadas MOF. Consisten en bloques de construcción inorgánicos moleculares que se mantienen unidos por moléculas enlazadoras orgánicas. Juntos, forman redes 3D altamente porosas que tienen un área de superficie excepcionalmente alta y excelentes propiedades de separación de carga.
Sin embargo, la mayoría de los MOF solo están activos cuando se exponen a la luz ultravioleta, por lo que la comunidad está modificando compuestos orgánicos para poder absorber la luz visible. Sin embargo, estas modificaciones tienen un efecto negativo sobre la movilidad de los electrones. Otra limitación se relaciona con la extracción de carga, donde se liberan electrones del material. “Si bien los MOF son excelentes para separar los portadores de carga en la interfaz orgánico-inorgánica, su extracción eficiente para aplicaciones catalíticas sigue siendo un desafío”, explica Eder.
Recientemente, se ha prestado mucha atención a los MOF estructurados en capas en aplicaciones optoelectrónicas, ya que exhiben propiedades de extracción de carga muy mejoradas. “Puedes imaginar estas estructuras en capas como Manner Schnitte, donde la oblea es la parte inorgánica y el chocolate es el ligando orgánico que los mantiene unidos”, explica Pablo Ayala, autor principal del estudio. “Solo tienes que hacer que la parte de la oblea se lleve a cabo”.
Desafíos de división de agua
A diferencia de los MOF 3D, los MOF en capas generalmente no son porosos, lo que reduce el área catalíticamente activa a la superficie exterior de las partículas. “Así que tuvimos que encontrar una manera de hacer que estas partículas fueran lo más pequeñas posible”, explica Eder. Sin embargo, la nanoestructuración de materiales suele ir acompañada de la introducción de defectos estructurales. Estos pueden actuar como trampas de carga y ralentizar la extracción de cargas. “A nadie le gusta Manner Schnitte sin chocolate”, continúa Ayala, comparando. “Para la fotocatálisis, también necesitamos el mejor material posible que se pueda producir”.
Por lo tanto, el equipo de Eder desarrolló una nueva ruta de síntesis que puede producir incluso las estructuras cristalinas más pequeñas sin defectos. Esto se logró en colaboración con universidades locales e internacionales. Los nuevos MOF en capas se basan en titanio y tienen una forma cúbica de solo unos pocos nanómetros de tamaño. El material ya era capaz de alcanzar valores récord en la producción fotocatalítica de hidrógeno bajo la influencia de la luz visible.
Con la ayuda de simulaciones por computadora realizadas en Technion en Israel, el equipo pudo desentrañar el mecanismo de reacción subyacente y demostrar dos cosas: primero, la naturaleza en capas de los MOF es, de hecho, la clave para una separación y extracción de carga eficientes. En segundo lugar, los defectos de ligandos que faltan actúan como trampas de carga indeseables que deben evitarse tanto como sea posible para mejorar el rendimiento fotocatalítico del material.
Actualmente, el grupo de investigación está diseñando nuevos MOF en capas y probándolos para diversas aplicaciones energéticas.
Más información:
Pablo Ayala et al., El surgimiento de unidades de construcción 2D en marcos organometálicos para la evolución del hidrógeno fotocatalítico: un estudio de caso con COK-47, Materiales energéticos avanzados (2023). DOI: 10.1002/aenm.202300961