Sistemas fotocatalíticos basados en oro para la mejora del aprovechamiento de la luz solar

La transformación de energía solar en combustibles mediante procesos fotocatalíticos es uno de los campos de investigación actuales para la búsqueda de tecnologías alternativas a los procesos convencionales de producción de energía. 

Un estudio publicado recientemente en la revista Nature Nanotechnology recoge el diseño de un innovador sistema fotocatalítico para la producción de hidrógeno, basado en el efecto de resonancia de superficie plasmón del oro generado durante el proceso.

[Autora: Laura Collado – Instituto IMDEA Energía]

Científicos de la Universidad de California, Santa Bárbara (UC SB) han diseñado un interesante sistema catalítico, para la producción de hidrógeno a partir de agua, alternativo a los sistemas convencionales basados en un único material semiconductor.

El proceso fotocatalítico de producción de hidrógeno a partir de agua, conocido como water splitting, en general precisa de una fuente de luz y de un catalizador, en la mayoría de los casos basado en un material semiconductor. Durante este proceso, la iluminación con energía suficiente de la superficie del semiconductor genera una separación de cargas en el material (pares electrón-hueco) que son las responsables de llevar a cabo las reacciones químicas implicadas, en este caso la formación de H2 y O2 mediante la escisión de una molécula de H2O.

Lo novedoso del sistema catalítico publicado en el último volumen de la revista Nature Nanotechnology [1], es que las cargas necesarias para la reacción no son generadas por un semiconductor sino por una nanoestructura metálica, en concreto por nanorods de oro. La idea de este sistema se basa en utilizar el efecto de resonancia de superficie plasmón (SPR) del oro, que es una interesante propiedad óptica que presentan algunos metales cuando son excitados con luz visible a determinadas longitudes de onda. Este efecto genera en la superficie del metal una oscilación colectiva de electrones que pueden transferirse por ejemplo a otro semiconductor adyacente, que no habría sido posible excitar con esa radiación, lo que implica un aumento del rango de absorción de luz del sistema y posiblemente una mejora global de la eficiencia del proceso.

El sistema catalítico diseñado en el estudio consta de un conjunto de nanorods de oro cubiertos por una capa de material semiconductor (TiO2) decorado en superficie con nanopartículas de platino. La irradiación del oro provoca la aparición del plasmón superficial y por tanto, que los electrones excitados en el metal se puedan transferir a lo largo de los nanorods hasta el semiconductor. Una vez allí las nanopartículas de platino actúan como aceptores de electrones, capturándolos para que estén disponibles para la formación de H2y no se consuman en procesos de recombinación con los huecos también generados. Los huecos a su vez son empleados por un catalizador basado en cobalto, depositado en la parte inferior del sistema, responsable de la formación de oxígeno. La Figura 1 muestra una adaptación del esquema del sistema catalítico empleado.

Figura 1. Esquema del sistema catalítico basado en nanorods de oro modificados (adaptado de referencia 1).

 

Según este estudio, la producción de H2 pudo observarse tan sólo después de 2 h de reacción manteniendo una buena estabilidad a lo largo del tiempo de reacción. La producción obtenida con cada nanorod de oro fue de 5 × 1013 moléculas de H2 por cm2 y segundo bajo 1 sol de iluminación (AM 1.5 and 100 mW cm−2).

En la actualidad este tipo de sistemas catalíticos aún se encuentran en fase de investigación, ya que el coste y los rendimientos aún no son comparables a los obtenidos con los sistemas convencionales basados en materiales semiconductores. No obstante, su estudio tiene gran potencial ya que permitiría en un futuro diseñar sistemas catalíticos capaces de aprovechar un amplio rango de luz solar y producir hidrógeno de forma más eficiente y sostenible.

[1] S. Mubeen et al. Nature Nanotechnology, 2013 (en prensa, doi:10.1038/nnano.2013.18).

 

 

 

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