La fotocatálisis ofrece una forma prometedora de convertir grandes cantidades de luz solar en energía química útil. Los materiales que atraen cada vez más atención incluyen poliheptazina imidas, que tienen propiedades estructurales y funcionales que las hacen particularmente útiles para reacciones fotocatalíticas. Hasta hace poco, los científicos sólo tenían una visión limitada de cómo los cambios en su estructura afectan su comportamiento electrónico y óptico en los muchos materiales posibles de esta familia.
Investigadores dirigidos por un equipo del Centro para la Comprensión de Sistemas Avanzados (CASUS) del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) han introducido un enfoque teórico fiable y reproducible para abordar este problema. Sus predicciones han sido validadas mediante mediciones en muestras de materiales reales. El equipo cree que este avance podría acelerar significativamente la investigación sobre la poliheptazina imida y conducir a un rápido crecimiento en este campo.
Material de nitruro de carbono y absorción de luz visible.
Las imidas de poliheptazina pertenecen a la clase más amplia de nitruros de carbono. Estos materiales consisten en estructuras en capas similares al grafeno pero construidas a partir de unidades moleculares en forma de anillo ricas en nitrógeno.
Aunque el grafeno es conocido por su excepcional conductividad eléctrica, no funciona bien como fotocatalizador. Las poliheptazina imidas difieren de manera importante. Su banda prohibida electrónica les permite absorber la luz visible, lo que los hace adecuados para reacciones químicas impulsadas por la luz solar.
Los materiales de nitruro de carbono también ofrecen varias ventajas prácticas. Son relativamente baratos de producir, no tóxicos y térmicamente estables. Sin embargo, las primeras versiones de estos materiales no funcionaron bien como fotocatalizadores porque sus propiedades intrínsecas limitaban la separación efectiva de cargas.
Cuando un fotón golpea un objeto, puede excitar un electrón y alejarlo de su posición original, dejando un agujero cargado positivamente. Si el electrón se recombina rápidamente con el agujero, la energía se libera sólo en forma de calor o luz, en lugar de provocar una reacción química.
“Los iones metálicos cargados positivamente en la poliheptazina imida exhiben una separación de carga significativamente mejorada. Esta propiedad los hace muy adecuados para aplicaciones prácticas”, dijo la primera autora, la Dra. Zahra Hajiahmadi.
El modelado informático acelera la búsqueda de mejores catalizadores
Para desbloquear el potencial económico de diversos procesos fotocatalíticos se necesitan materiales mejorados. Estos incluyen la división del agua (para producir hidrógeno como combustible), la reducción de dióxido de carbono (para producir carbohidratos básicos como combustible o productos químicos industriales) y la producción de peróxido de hidrógeno (como producto químico industrial básico).
Diseñar un catalizador de poliheptazina imida que funcione bien para una reacción específica requiere un control cuidadoso sobre muchos aspectos de su estructura. No sería práctico crear y probar todos los posibles materiales candidatos en el laboratorio. Por lo tanto, los métodos computacionales desempeñan un papel esencial a la hora de reducir las posibilidades.
“El espacio de diseño es enorme”, explica el director de CASUS, jefe del grupo de investigación de CASUS “Teoría de sistemas complejos” y autor principal del estudio, el profesor Thomas D. Kuhne. “Por ejemplo, se pueden añadir grupos funcionales a la superficie o sustituir ciertos átomos de nitrógeno o carbono por átomos de oxígeno o fósforo”.
El grupo de investigación de Kühne está desarrollando técnicas numéricas avanzadas diseñadas para ser eficientes y capaces de reproducir con precisión el comportamiento químico y físico de materiales complejos.
Se examinan sistemáticamente 53 iones metálicos.
Una característica definitoria de la poliheptazina imida es la presencia de poros cargados negativamente dentro del material. Estos poros pueden albergar iones metálicos cargados positivamente, lo que puede mejorar significativamente el rendimiento catalítico.
El trabajo de Hajiahmadi representa la primera investigación exhaustiva de cómo los diferentes iones metálicos afectan las propiedades optoelectrónicas de estos materiales. El estudio examinó un total de 53 iones metálicos, clasificándolos según su ubicación en la estructura (en el plano o en la capa) y cómo cambian la geometría del material (causando deformación o no).
“Utilizamos un marco computacional confiable y reproducible que va más allá de los métodos de modelado convencionales”, dijo Hajiahmadi. “Los estudios computacionales estándar de fotocatalizadores generalmente se centran en las propiedades del estado fundamental y descuidan los efectos del estado excitado, a pesar de que la fotocatálisis está inherentemente impulsada por portadores de carga fotoexcitados. Específicamente, utilizamos métodos de teoría de perturbaciones de muchos cuerpos”.
Estos métodos comienzan con un sistema modelo simplificado que no incluye interacciones entre partículas. Luego, las interacciones se suman como pequeñas correcciones, y los investigadores estiman en cuántas partículas se afectan entre sí. Aunque estos cálculos requieren una potencia informática considerable y rara vez se aplican en este campo, una nueva investigación demuestra su valor. La estructura proporciona una descripción precisa de cómo estos materiales absorben la luz y cómo se comporta su estructura electrónica bajo iluminación.
Los experimentos confirman las predicciones teóricas.
Utilizando su enfoque computacional, los investigadores exploraron cómo diferentes iones metálicos cambian la estructura de la red de poliheptazina imida. Su análisis mostró que la introducción de iones puede provocar cambios estructurales mensurables, incluidos cambios en el espacio entre capas y cambios en el entorno de unión local. Estas variaciones estructurales afectan directamente la estructura de la banda electrónica y las propiedades ópticas de los materiales, afectando la eficiencia con la que capturan la luz.
Para probar sus predicciones, el equipo sintetizó ocho materiales de poliheptazina imida, cada uno de los cuales incorporaba un ión metálico diferente. Luego se evaluó la capacidad de los materiales para catalizar la producción de peróxido de hidrógeno.
“Los resultados muestran claramente un alto grado de concordancia con nuestras predicciones y superan a los métodos computacionales de la competencia”, concluyó Hajiahmadi.
Kühne añadió: “Si había alguna duda sobre que las poliheptazina imidas sean una de las plataformas más prometedoras para la tecnología fotocatalítica de próxima generación, creo que este trabajo las ha disipado. El camino hacia el diseño específico de fotocatalizadores eficientes de poliheptazina imidas para reacciones sostenibles está claramente recorrido y ahora creo firmemente que tendrá éxito”.
