Un fotocatalizador de aerogel más eficiente produciendo hidrógeno

Un nuevo fotocatalizador hecho a partir de un aerogel podría permitir una producción de hidrógeno más eficiente. La clave es un pretratamiento sofisticado del material.

Los aerogeles son materiales extraordinarios que han establecido récords mundiales Guinness más de una docena de veces, incluso como los sólidos más ligeros del mundo.

El profesor Markus Niederberger del Laboratorio de Materiales Multifuncionales de ETH Zurich ha estado trabajando con estos materiales especiales durante algún tiempo. Su laboratorio se especializa en aerogeles compuestos de nanopartículas semiconductoras cristalinas. "Somos el único grupo en el mundo que puede producir este tipo de aerogel con una calidad tan alta", dice en un comunicado.

Un uso de los aerogeles basados en nanopartículas es como fotocatalizadores. Se emplean siempre que sea necesario activar o acelerar una reacción química con la ayuda de la luz solar; un ejemplo es la producción de hidrógeno.

El material de elección para los fotocatalizadores es el dióxido de titanio (TiO2), un semiconductor. Pero el TiO2 tiene una gran desventaja: puede absorber solo la porción ultravioleta de la luz solar, aproximadamente el 5 por ciento del espectro. Para que la fotocatálisis sea eficaz y útil industrialmente, el catalizador debe poder utilizar una gama más amplia de longitudes de onda.

Es por eso que el estudiante de doctorado de Niederberger, Junggou Kwon, ha estado buscando una nueva forma de optimizar un aerogel hecho de nanopartículas de TiO2. Ideó que si el aerogel de nanopartículas de TiO2 está "dopado" (para usar el término técnico) con nitrógeno, de modo que los átomos de oxígeno individuales en el material sean reemplazados por átomos de nitrógeno, el aerogel puede absorber más porciones visibles del espectro. El proceso de dopaje deja intacta la estructura porosa del aerogel. El estudio sobre este método se publicó recientemente en la revista Applied Materials & Interfaces.

Kwon primero produjo el aerogel utilizando nanopartículas de TiO2 y pequeñas cantidades del paladio, un metal noble, que juega un papel clave en la producción fotocatalítica de hidrógeno. Luego colocó el aerogel en un reactor y lo infundió con gas amoniaco. Esto provocó que los átomos de nitrógeno individuales se incrustaran en la estructura cristalina de las nanopartículas de TiO2.

Para probar si un aerogel modificado de esta manera realmente aumenta la eficiencia de una reacción química deseada, en este caso, la producción de hidrógeno a partir de metanol y agua, Kwon desarrolló un reactor especial en el que colocó directamente el monolito de aerogel. Luego introdujo un vapor de agua y metanol en el aerogel en el reactor antes de irradiarlo con dos luces LED. La mezcla gaseosa se difunde a través de los poros del aerogel, donde se convierte en el hidrógeno deseado en la superficie de las nanopartículas de TiO2 y paladio.

Kwon detuvo el experimento después de cinco días, pero hasta ese momento, la reacción fue estable y procedió continuamente en el sistema de prueba. "El proceso probablemente se habría mantenido estable durante más tiempo", dice Niederberger. "Especialmente con respecto a las aplicaciones industriales, es importante que sea estable durante el mayor tiempo posible". Los investigadores también estaban satisfechos con los resultados de la reacción. La adición del paladio, un metal noble, aumentó significativamente la eficiencia de conversión: el uso de aerogeles con paladio produjo hasta 70 veces más hidrógeno que los que no lo tenían.

Este experimento sirvió a los investigadores principalmente como un estudio de viabilidad. Como nueva clase de fotocatalizadores, los aerogeles ofrecen una estructura tridimensional excepcional y ofrecen potencial para muchas otras reacciones interesantes en fase gaseosa además de la producción de hidrógeno. En comparación con la electrólisis que se usa comúnmente en la actualidad, los fotocatalizadores tienen la ventaja de que podrían usarse para producir hidrógeno usando solo luz en lugar de electricidad.

Aún no se sabe si el aerogel desarrollado por el grupo de Niederberger se utilizará alguna vez a gran escala. Por ejemplo, todavía hay una cuestión de cómo acelerar el flujo de gas a través del aerogel; por el momento, los poros extremadamente pequeños dificultan demasiado el flujo de gas. "Para operar un sistema de este tipo a escala industrial, primero tenemos que aumentar el flujo de gas y también mejorar la irradiación de los aerogeles", dice Niederberger. Él y su grupo ya están trabajando en estos temas.

Los aerogeles son materiales excepcionales. Son extremadamente ligeros y porosos, y cuentan con una gran superficie: un gramo del material puede tener una superficie de hasta 1.200 metros cuadrados. Debido a su transparencia, los aerogeles tienen la apariencia de "humo congelado". Son excelentes aislantes térmicos, por lo que se utilizan en aplicaciones aeroespaciales y, cada vez más, también en el aislamiento térmico de edificios. Sin embargo, su fabricación todavía requiere una gran cantidad de energía, por lo que los materiales son caros. El primer aerogel fue producido a partir de sílice por el químico Samuel Kistler en 1931.

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