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Producción de hidrógeno a partir de agua utilizando luz solar y nanomateriales

Un consorcio de universidades, centros de investigación y empresas europeas, liderado por el Instituto IMDEA Materiales, busca producir nuevos materiales híbridos de escala nanométrica combinando carbono (e.g. grafeno) e inorgánicos (e.g. óxido de titanio) con capacidad para separar moléculas de agua usando luz solar y producir hidrógeno de manera más eficiente. En estudios recientes se ha observado que estos nanohíbridos pueden ser hasta 25 veces más fotoactivos[1] que materiales convencionales.


FUENTE | IMDEA Materials Institute - mi+d
11/03/2013
 
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El proyecto europeo CARINHYPH, financiado por el 7º Programa Marco de la Unión Europea, reúne a un grupo de investigadores y empresas europeas que buscan producir nuevos nanomateriales fotocatalíticos para producir hidrógeno por separación de agua de manera más eficiente. El hidrógeno es una de las fuentes de energía con mayor potencial del futuro: además de tener un alto contenido energético, produce agua como producto de la reacción de combustión en lugar de CO2 como en el caso de los hidrocarburos. Uno de los retos en este campo está en la producción de hidrógeno de manera eficiente, es decir, obteniendo una mayor cantidad de energía comparada a la que se invierte en su obtención. Dentro de los métodos más prometedores se encuentra la separación de agua por fotocatálisis, en la cual un catalizador absorbe luz solar y lleva a cabo la descomposición de la molécula en hidrógeno y oxígeno, similar a la fotosíntesis que ocurre naturalmente en las plantas.

Scheme

Simulation plus
Figuras: Representación esquemática de híbridos nanocarbono/inorgánico para producir hidrógeno por disociación fotocatalítica de agua.

Este proyecto tiene como fin producir nuevos materiales con mayor eficiencia fotocatalítica, combinando nanocarbonos, nanotubos de carbono y grafeno, con inorgánicos fotoactivos como óxidos metálicos, también de tamaño nanométrico. El potencial de estos nuevos nanohíbridos radica principalmente en tres características:

Sus dimensiones nanométricas hacen que tengan un área superficial muy grande y por lo tanto una mayor cantidad de superficie disponible para llevar a cabo la disociación de agua. El nanocarbono extiende el espectro de absorción de luz del híbrido y por lo tanto amplía la cantidad de energía solar que se puede captar para la reacción fotocatalítica.
Durante la reacción de disociación se extiende la vida útil de la carga mediante la separación de la parte negativa (el electrón se transfiere al nanocarbono) de la positiva (el hueco se queda en el inorgánico), evitando así su recombinación y permitiendo que completen la reacción fotocatalítica.

Para poder materializar estos tres aspectos y obtener un híbrido con mayor eficiencia, que además pueda producirse a escala industrial y tener un impacto positivo en la sociedad, el proyecto cuenta con miembros con distintos perfiles. Los nanocarbonos se sintetizarán en la empresa Thomas Swan, suministrador de CNTs y grafeno de alta pureza. Estos materiales serán funcionalizados en el laboratorio del Prof. Maurizio Prato del INSTM para poder ser a continuación integrados con el inorgánico y formar el híbrido. La integración se llevará a cabo en IMDEA Materiales y las universidades de Cambridge y Münster, utilizando técnicas como deposición atómica por capas (ALD) e infiltración de giroides. Posteriormente se evaluará la transferencia de carga en la interfaz nanocarbono/inorgánico utilizando novedosas técnicas de espectroscopía de femto-segundos en la universidad de Erlangen y se evaluará la producción de hidrógeno de distintos híbridos. Con base en estos resultados, INAEL, una pyme española, construirá un reactor para demostrar el desempeño de los nuevos nanohíbridos en una escala semi-industrial. Como parte final del proyecto, los miembros del consorcio prepararán una hoja de ruta para la explotación industrial de estos materiales, teniendo en cuenta el análisis de ciclo de vida completo de los materiales y procesos de producción desarrollados por EMPA.

El proyecto CARINHYPH, coordinado desde España por el Instituto IMDEA Materiales, comenzó en Enero del 2013 y tendrá una duración de 3 años. El presupuesto total del proyecto asciende a 3.8 millones de euros, de los que el 75% provienen de la Comisión Europea. Más información disponible en la página web www.carinhyph.eu.

[1] Hybridizing photoactive zeolites with graphene: a powerful strategy towards superior photocatalytic properties. Z. Ren et al, Chem. Sci., 2012, 3, 209-216





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