Investigadores de la Universidad Estatal de Oregón han desarrollado un material que muestra una capacidad notable para convertir la luz solar y el agua en energía limpia.
Una colaboración liderada por Kyriakos Stylianou de la Facultad de Ciencias de OSU ha creado un fotocatalizador que permite una producción rápida y de alta eficiencia de hidrógeno, que se utiliza en pilas de combustible para automóviles, así como en la producción de muchos productos químicos, incluido el amoníaco. En la fabricación de metales y plásticos.
Los hallazgos representan una nueva herramienta potencial para combatir las emisiones de gases de efecto invernadero y el cambio climático, dijo Stylianou, cuya investigación se centró en materiales cristalinos y porosos conocidos como estructuras organometálicas, comúnmente conocidas como MOF.
Compuestos por iones metálicos cargados positivamente rodeados por moléculas orgánicas “enlazadoras”, los MOF tienen poros de tamaño nanométrico y propiedades estructurales ajustables. Se pueden diseñar con una serie de componentes que determinan las propiedades del MOF.
En este estudio, los investigadores utilizaron un MOF para obtener una heterounión de óxido metálico (una combinación de dos materiales con propiedades complementarias) para crear un catalizador que, cuando se expone a la luz solar, se divide de manera rápida y eficiente en hidrógeno.
La heterounión, a la que llaman RTTA, presenta óxido de rutenio derivado de MOF y óxido de titanio dopado con azufre y nitrógeno. Probaron varios RTTA con distintas cantidades de óxidos y encontraron un claro ganador.
“Entre los diferentes materiales RTTA, RTTA-1, con el menor contenido de óxido de rutenio, exhibe la tasa de producción de hidrógeno más rápida y un alto rendimiento cuántico”, dijo Stylianou.
En sólo una hora, señaló, un gramo de RTTA-1 era capaz de producir más de 10.700 micromoles de hidrógeno. El proceso utilizó fotones (partículas de luz) a una tasa impresionante del 10%, lo que significa que por cada 100 fotones que impactaron en RTTA-1, 10 contribuyeron a la producción de hidrógeno.
“La notable actividad de RTTA-1 se debe a los efectos sinérgicos de las propiedades del óxido metálico y las propiedades de la superficie del MOF original que mejoran la transferencia de electrones”, dijo Stylianou. “Este estudio destaca el potencial de las heterouniones de óxido metálico derivadas de MOF como fotocatalizadores para la producción de hidrógeno, contribuyendo al desarrollo de soluciones energéticas sostenibles y eficientes”.
Producir hidrógeno dividiendo agua mediante un proceso catalítico es más limpio que el método tradicional de obtener hidrógeno a partir de gas natural mediante un proceso de producción de dióxido de carbono llamado reformado con vapor de metano.
Los procesos catalíticos actuales para producir hidrógeno a partir de agua implican electrocatálisis: hacer pasar electricidad a través de un catalizador. La sostenibilidad de la electrocatálisis depende del uso de energías renovables, y la energía debe ser barata para competir en el mercado.
Actualmente, el reformado con vapor de metano produce hidrógeno a un costo de alrededor de 1,50 dólares por kilogramo, en comparación con alrededor de 5 dólares por kilogramo del hidrógeno verde.
“El agua es una fuente abundante de hidrógeno y la fotocatálisis ofrece una manera de aprovechar la abundante energía solar de la Tierra para la producción de hidrógeno”, dijo Stylano. “El óxido de rutenio no es barato, pero la cantidad utilizada en nuestro fotocatalizador es mínima. Para aplicaciones industriales, si un catalizador muestra buena estabilidad y reproducibilidad, el coste de esta pequeña cantidad de óxido de rutenio es menos importante”.
La Facultad de Ciencias, el Departamento de Química de la facultad y los profesores jubilados de escuelas públicas y ex alumnos de OSU Brian y Marilyn Kleiner financiaron la investigación, que se publicó en Quimica APLICADA.
El proyecto fue dirigido por los estudiantes graduados Emmanuel Musa, Ankit Yadav y Kyle Smith, e implicó la colaboración con Xiulei “David” Ji, profesor de química en OSU. Peter Eschbach, director de las instalaciones de microscopía electrónica del Centro de Ciencias Linus Pauling del estado de Oregón; el investigador postdoctoral Min Soo Jung; Y cortesía del miembro de la facultad William Stickle.
