Diseñan un catalizador capaz de producir hidrógeno con luz solar

El hidrógeno es imprescindible para facilitar la transición energética siempre que se obtenga a partir de fuentes renovables de energía (lo que se llama 'hidrógeno verde'). Desde hace tiempo, se sabe que los electrones de algunos semiconductores pueden participar en reacciones químicas cuando se iluminan con la luz del Sol. Éste es el caso del dióxido de titanio, un producto barato e inocuo que se utiliza ampliamente como pigmento blanco en pinturas, plásticos, papeles, tintas y productos cosméticos. Los electrones excitados del dióxido de titanio son capaces de generar hidrógeno a partir de los protones del agua y compuestos orgánicos. 

Sin embargo, la producción de hidrógeno es muy baja porque los electrones tienen tendencia a relajarse en lugar de reaccionar, por lo que la eficiencia del proceso es insuficiente desde el punto de vista práctico.

Esta limitación se puede solucionar poniendo en contacto el dióxido de titanio con nanopartículas metálicas, que actúan de filtros de los electrones, alargando la vida de los mismos en un estado excitado para reaccionar y producir el hidrógeno. Así se alcanzan rendimientos cientos de veces mayores.

Con el estudio liderado por el investigador Ramón y Cajal Lluís Soler y el catedrático Jordi Llorca , ambos del grupo de investigación ENCORE-NEMEN del Departamento de Ingeniería Química y el Instituto de Técnicas Energéticas (INTE) de la Universidad Politécnica de Cataluña - BarcelonaTech (UPC) , y que también forman parte del Centro Específico de Investigación del Hidrógeno (CER-H2), se da un paso adelante en la producción sostenible de hidrógeno.

Los investigadores han depositado clusters metálicos mediante un proceso mecanoquímico sobre nanopartículas de dióxido de titanio con morfologías diferentes y han constatado que las diferentes caras cristalográficas expuestas del dióxido de titanio también tienen un papel clave en la producción de hidrógeno. Tanto la estabilidad de los fotocatalizadores como la intensidad del canje de electrones entre el semiconductor y las nanopartículas metálicas están fuertemente relacionadas con las caras expuestas del semiconductor, que son responsables de la movilidad de los átomos y su agregación.

Más cantidad y más estable

Los resultados están claros. Cuando se depositan clusters de platino sobre nanopartículas octaédricas de dióxido de titanio se obtiene un fotocatalizador que produce mucho más hidrógeno y, lo que es más importante, mucho más estable que cualquier otra combinación. Todo un ejemplo de cómo se puede aplicar la nanotecnología para diseñar nuevos dispositivos en el campo de la energía. Para entender los resultados, Claudio Cazorla , investigador Ramón y Cajal del Departamento de Física de la UPC, ha realizado cálculos mecanocuánticos a fin de investigar la estructura electrónica de los fotocatalizadores, que se han comparado con los resultados de espectroscopia fotoelectrónica de rayos X obtenidos en el Centro de Investigación en Ciencia e Ingeniería Multiescala de la UPC. Este centro está ubicado en el Campus Diagonal-Besòs, como también lo está la Escuela de Ingeniería Barcelona Este (EEBE) , donde imparten docencia los investigadores.  

Los resultados de esta investigación, que se publican en la revista científica Nature Communications , deben permitir el diseño de nuevos catalizadores para la producción eficiente y sostenible de hidrógeno verde. En el CER-H2 ya se está trabajando para llevar estos resultados a la práctica. En el estudio también ha participado Yufen Chen, estudiante de doctorado de la UPC, junto con los investigadores del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2 ).