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Buscando el almacén de energía perfecto

Fuente: CSIC Comunicación

Un estudio con participación de Gerardo Colón, del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla, junto con investigadores del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, también del CSIC, y del laboratorio Europeo de Radiación Sincrotrón, de Grenoble (Francia), revela cuáles son las fases que producen hidrógeno en un sistema de cobre y niquel fotocatalítico, y abre una nueva vía para la producción de lo que se conoce como “energía ecológica”.

El hidrógeno se considera una de las opciones de combustible con más futuro debido a su capacidad de almacenamiento de energía, unas tres veces superior al gas natural, y a la ausencia de generación de contaminantes en su combustión, ya que solo genera agua en el proceso.

La fotocatálisis permite producir hidrógeno mediante un “proceso verde completo”, uno de los principales objetivos de la química moderna, ya que se da en condiciones suaves de temperatura y presión y, además, permite usar la luz solar como fuente energética de la radiación.

La fotocatálisis requiere el uso de un semiconductor. Bajo excitación lumínica, el material genera especies cargadas que, al llegar a la superficie del mismo, interaccionan con las moléculas y producen la reacción química. En este estudio, los investigadores han trabajado con sistemas de cobre y níquel como elementos activos depositados sobre el semiconductor y han comprobado que la combinación de ambos es más activa que el sistema de cobre o níquel por separado.

“Para generar hidrógeno se requiere incluir elementos metálicos en la superficie del semiconductor. Uno de los problemas es conocer la fase metálica activa en el proceso químico, que es complejo en fotocatálisis ya que el volumen de muestra analizado debe ser exactamente el mismo que el iluminado”, asegura el investigador Marcos Fernández-García, del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica.

Comprender cómo modula su estado de oxidación, tamaño y estructura la fase activa de un fotocatalizador durante la reacción fotocatalítica es una de las tareas más complejas. “Para el estudio se calcula la interacción producida entre materia y radiación, además de controlar el volumen de muestra escaneado mediante absorción de rayos X y así asegurar que los resultados de las fases metálicas sean relevantes”, señala Fernández-García. “Se analizan las propiedades de la fase activa en los catalizadores —continúa— en función de la distancia a la superficie. Con ello se analiza el efecto de los reactantes y la luz por separado”.

Dependiendo de la profundidad desde la superficie de la muestra, el estado del metal es diferente. “Bajo la acción simultánea de la luz y los reactantes, los elementos metálicos sufren una transformación, donde se observan fases tanto metálicas, como oxidadas. En el sistema bimetálico, el que tiene una fase oxidada más extendida, se generan partículas muy pequeñas de la fase metálica, que se dispersan por todo el sólido. Esa diferencia hace que la producción de hidrógeno aumente entre tres y 10 veces, dependiendo de las condiciones experimentales”, concluye Fernández-García.

Este estudio se ha publicado en la revista Angewandte Chemie. Más información en: M. J. Muñoz-Batista, D. Motta Meira, G. Colón, A. Kubacka, M. Fernández-García, Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 1199.

 

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