La fotocatálisis es una reacción que combina la fotoquímica con la catálisis. Es decir, ambos elementos, luz y catalizador, son necesarios para alcanzar o acelerar una reacción química. Una linea de investigación, impulsada por cientificos ingleses de la Universidad de Strathclyde, han aplicado esta técnica a la producción de hidrógeno.
La mayor parte del hidrógeno todavía se fabrica a partir de gas natural, que produce gases de efecto invernadero, y se necesita con urgencia la producción de hidrógeno verde. El hidrógeno puro se produce a partir del agua utilizando un fotocatalizador. Este material impulsa la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno utilizando la luz solar.
Sugiere que el uso de un fotocatalizador bajo luz solar simulada facilita la descomposición del agua cuando se carga con un catalizador metálico apropiado, en este caso iridio.
Estos avances se han publicado en la revista de la Sociedad Química Alemana. ‘División fotocatalítica total del agua bajo luz visible habilitada por un polímero conjugado de partículas cargado con iridio’ es el titulo de un articulo publicado en Angewandte Chemie.
¿Qué es la fotocatálisis?
La fotocatálisis es una reacción fotoquímica que convierte la energía solar en energía química en la superficie de un catalizador. El fotocatalizador más común es el dióxido de titanio TiO2.
Otro fenomeno similar es la fotosíntesis. Se trata de un proceso natural que gracias a la luz solar es capaz de eliminar el CO2 para generar materia orgánica. La fotocatálisis es diferente. Se trata de un principio natural de descontaminación. La fotocatálisis elimina otros contaminantes atmosféricos, como los NOx, SOx o los compuestos orgánicos volátiles (COVs), mediante un proceso activado por la energía solar.
Los materiales fotocatalíticos
Los materiales fotocatalíticos provocan reacciones químicas con la contaminación y los convierten en sustancias mucho menos perjudiciales. Un edificio 100% fotocatalítico sería capaz de eliminar el 89% de las partículas de óxido de nitrógeno (NOx) de su entorno.
Existen muchos materiales que pueden ser utilizados en el proceso de fotocatálisis, pero los más comunes son los materiales semiconductores. La razón es que tienen una banda de energía en la que los electrones pueden ser excitados por la luz.
Los materiales fotocatalíticos más importantes son:
Dióxido de titanio (TiO2)
El dióxido de titanio es uno de los materiales fotocatalíticos más utilizados debido a su alta eficiencia y estabilidad. El TiO2 es un semiconductor que puede ser excitado por la luz UV para catalizar una variedad de reacciones químicas, como la degradación de contaminantes orgánicos.
Óxido de zinc (ZnO)
El óxido de zinc es otro material semiconductor que puede ser utilizado en la fotocatálisis. El ZnO es sensible a la luz UV y puede ser utilizado para la degradación de compuestos orgánicos, así como en la producción de hidrógeno a partir del agua.
Sulfuro de cadmio (CdS)
El sulfuro de cadmio es un material semiconductor. Es sensible a la luz visible y puede ser utilizado en la fotocatálisis para una variedad de reacciones, como la producción de hidrógeno a partir del agua y la degradación de contaminantes orgánicos.
Seleniuro de cobre (Cu2Se)
El seleniuro de cobre es un material semiconductor que también es sensible a la luz visible. Puede ser utilizado en la fotocatálisis para la producción de hidrógeno a partir del agua.
Los usos de la fotocatálisis
La fotocatálisis es un proceso químico que utiliza la energía de la luz para catalizar reacciones químicas. La fotocatálisis se utiliza en una variedad de aplicaciones, desde la purificación del aire y el agua hasta la síntesis de productos químicos.
Los cinco principales usos de la fotocatálisis son:
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Purificación del aire: La fotocatálisis se utiliza para reducir la cantidad de contaminantes en el aire, como el dióxido de nitrógeno y el ozono. Los materiales fotocatalíticos pueden ser utilizados en edificios y otras estructuras para purificar el aire en interiores.
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Purificación del agua: La fotocatálisis se utiliza para purificar el agua al degradar los contaminantes orgánicos. Los materiales fotocatalíticos pueden ser utilizados en sistemas de tratamiento de aguas residuales y plantas de tratamiento de agua.
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Síntesis de productos químicos: La fotocatálisis se utiliza para la síntesis de productos químicos a partir de precursores químicos. La luz activa los materiales fotocatalíticos que aceleran las reacciones químicas necesarias para la síntesis de los productos químicos.
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Generación de energía: La fotocatálisis se utiliza para la generación de energía a partir de la luz solar. Los materiales fotocatalíticos pueden ser utilizados en celdas solares para convertir la luz solar en energía eléctrica.
Aplicación de la fotocátalisis
Los fotocatalizadores (polímeros) son de gran interés ya que sus propiedades se pueden ajustar mediante enfoques sintéticos. Son importes en las aplicaciones de hidrógeno con biomateriales. Permite una optimización simple y sistemática de la estructura.
El investigador principal, el Dr. Sebastian Sprick, asegura que “el fotocatalizador puede acceder a la energía solar a través de procesos energéticamente desfavorables para generar un portador de energía almacenable en forma de hidrógeno a partir del agua. Luego, el hidrógeno se puede convertir limpiamente en electricidad en una celda de combustible con agua como único producto secundario”.
Este es un importante paso adelante para nosotros, ya que los sistemas anteriores se han basado en el uso de los llamados reactivos de sacrificio para impulsar la reacción. Los agentes de sacrificio son los donantes de electrones que reducen la tendencia a la recombinación de los electrones y aceleran la tasa de generación de hidrógeno. Aunque estos nos permiten a los investigadores comprender los sistemas, los convirtieron en ‘energía negativa’.
Los investigadores dicen que otra ventaja potencial es que los polímeros se pueden imprimir, lo que permite el uso de tecnologías de impresión rentables para escalar, al igual que la impresión de periódicos.
“Esto también será importante para producir hidrógeno a escala para abordar el cambio climático de manera efectiva”, dijo el doctor Sprick.
Esta línea de investigación ha sido apoyada económicamente por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas e Innovación del Reino Unido.
