Nuevos avances en el uso de materiales híbridos Orgánicos/Inorgánicos en fotosíntesis artificial

Autores: C. G. López-Calixto, M. Barawi, M. Gomez-Mendoza, F. E. Oropeza, F. Fresno, M. Liras, and V. A. de la Peña O’Shea.

Unidad de Procesos Fotoactivados del Instituto IMDEA Energía, Avenida Ramón de la Sagra, 3, 28933 Móstoles, Madrid.

El desarrollo de tecnologías sostenibles y ecológicas para la obtención de productos químicos y de energía es uno de los retos más importantes para nuestra sociedad hoy día. Estas tecnologías deben tener en cuenta la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, principalmente mediante el uso de fuentes de energía de emisión cero. En este sentido, es muy deseable hacer de la abundante y renovable energía solar la principal fuente que supla nuestra sociedad en el futuro. El diseño de materiales para tecnologías de conversión de energía solar también debe considerar los temas de sostenibilidad y medioambientales. Por esta razón, los polímeros funcionales han sido considerados como materiales de conversión de energía solar debido a su versatilidad y alta disponibilidad, libre de limitaciones geopolíticas.[1]Los semiconductores a base de Polímeros Porosos Conjugados (PPCs) son particularmente interesantes porque se ha demostrado que poseen gran estabilidad fotoquímica y propiedades optoelectrónicas intrínsecas (como la absorción de luz visible y actividad fotoquímica) ajustable a nivel molecular.[2]

En la Unidad de Procesos Fotoactivados de IMDEA Energía, venimos trabajando en el desarrollo de PPCs con propiedades fotocatalíticas avanzadas. Recientemente presentamos nuestros últimos resultados en una publicación en la revista ACS Catalysis.[3] En este artículo, explicamos las bases del diseño y la síntesis de nuevos PPCs llamados IMDEA Energy Polymer-x (IEP-x)x = 7, 8, 9, and 10, para la producción fotocatalítica de hidrógeno a partir de agua. Estos polímeros exhiben mejores propiedades fotocatalíticas que las del muy usado TiO2, ver figura 1, debido a una absorción extendida de luz visible que es el mayor componente de la irradiancia solar.

Figura 1. (A) Cumulative hydrogen production versus time of reaction of CPPs based on BOPHY (B) Photonic efficiency ƺ (%) by CPPs based on BOPHY used as photocatalysts compared with TiO2.

De manera adicional, se observó una fuerte sinergia foto-catalítica al combinar los IEP-x con TiO2 para formar compuestos híbridos orgánico/inorgánico. Tal efecto sinérgico fue mayor en el compuesto híbrido IEP-7/TiO2, con una velocidad de producción de hidrógeno 12 veces mayor a la suma de aquellas obtenidas con los materiales individuales. En base a un estudio espectroscópico detallado, logramos dar con el origen de la sinergia foto-catalítica que se halla en la efectiva separación de las especies foto-activadas atrevés de la interfase orgánica/inorgánica, como se muestra esquemáticamente en la figura 2. Las especies foto-activadas tienden a reaccionar entre si preferencialmente, pero al estar en las diferentes fases del material híbrido, las reacciones con reactivos en la superficie se ven favorecida. El estudio integral presentado servirá como plataforma para el desarrollo de materiales híbridos para aplicaciones de energía solar y otras fuentes renovables.

Figura 2: Esquema de efecto sinérgico en materiales híbridos orgánicos/inorgánicos. Observar como las cargas foto-generadas son trasferidas a las diferentes fases donde reaccionan con los reactivos de manera eficiente y sin recombinación.

Referencias


[1] C. Dai & B. Liu, Energy Environ. Sci. 2020, 13, 24–52

[2] (a) H. Bildirir et al., Mater. Horizons, 2017, 4, 546-556; (b) J. Byun & K. A. I., Mater. Horizons 2020, 7, 15–31

[3] C. G. López-Calixto, M. Liras, V. A. de la Peña O’Shea et al., ACS Catal. 2020, 10, 17, 9804–9812

Contacto

Marta Liras, Investigadora del Grupo IMDEA-E del Programa FotoArt-CM - marta.liras@imdea.org

Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.

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