Un fotocatalizador es un material semiconductor que acelera reacciones químicas cuando recibe luz. El material no se consume durante el proceso catalítico. El fotocatalizador absorbe fotones y genera pares electrón-hueco que inducen reacciones de oxidación y reducción en su superficie activa.
La energía luminosa excita electrones desde la banda de valencia hacia la banda de conducción. El proceso crea especies químicas altamente reactivas. Estas especies reaccionan con moléculas adsorbidas y transforman compuestos estables mediante mecanismos de transferencia de carga controlados.
La tecnología permite convertir energía solar en energía química. El sistema opera sin combustión directa. El principio fundamental consiste en utilizar la radiación solar para impulsar reacciones, que almacenan energía en enlaces químicos de mayor valor energético.
La producción de hidrógeno representa una aplicación estratégica. El hidrógeno funciona como vector energético limpio. El proceso de fotocatálisis del agua emplea la energía solar para dividir la molécula de H₂O en hidrógeno y oxígeno mediante reacciones simultáneas de reducción y oxidación.
El hidrógeno generado puede almacenarse y transportarse. El gas no emite dióxido de carbono durante su uso. La integración de fotocatalizadores eficientes en sistemas solares podría contribuir de manera significativa al desarrollo de esquemas sostenibles de producción de hidrógeno verde a gran escala.
El fotocatalizador de silicio híbrido
Científicos americanos ha logrado un avance significativo en el desarrollo de un fotocatalizador de silicio híbrido. El fotocatalizador es un material semiconductor que actúa acelerando la velocidad de las reacciones químicas de oxidación. Este fotocatalizador desarrollado no es tóxico y esrespetuoso con el medio ambiente, lo que aborda las limitaciones asociadas con catalizadores anteriores que no respondían a la luz solar o planteaban preocupaciones de toxicidad. Los fotocatalizadores a base de silicio muestran excelentes propiedades de absorción de luz, lo que los hace altamente eficientes en la utilización de la energía solar. Además, estos materiales no tóxicos no emiten sustancias químicas dañinas durante su proceso de producción.
Investigaciones previas consideran emplear la fotocatalisis para lograr la producción continua de hidrógeno junto con compuestos de alto valor debido a la falta de catalizadores adecuados. Los catalizadores tóxicos utilizados bajo condiciones de alta alcalinidad a menudo generaban problemas de contaminación ambiental. Además, a medida que se formaban capas de óxido en los fotocatalizadores de silicio tradicionales durante las reacciones, ello impactaba negativamente en la eficiencia de producción de hidrógeno con el tiempo.
Este innovador catalizador utiliza la energía solar para producir hidrógeno y compuestos de alto valor de manera eficiente, marcando un gran paso adelante en la tecnología de producción de hidrógeno verde.
El descubrimiento se ha realizado gracias al trabajo de un equipo de investigadores, encabezado por el Profesor Jungki Ryu de la Escuela de Ingeniería de Energía y Química de la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST) y el Profesor Soojin Park de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH).
Incluye puntos de grafeno
Para superar estos obstáculos, el equipo de investigación desarrolló un fotocatalizador de silicio híbrido recubriendo uniformemente puntos cuánticos de grafeno dopados con níquel en la superficie de hojas de silicio de 2 a 3 nm de espesor. La superficie modificada permitió una eficiencia de producción de hidrógeno significativamente mayor en comparación con los fotocatalizadores de silicio convencionales, logrando una impresionante tasa de 14.2 mmol gcat−1 h−1, una mejora sustancial equivalente a aproximadamente 28 veces más rendimiento.
Además, a través de reacciones de oxidación utilizando biomasa en lugar de agua, que es una sustancia orgánica derivada de fuentes biológicas. El fotocatalizador de silicio híbrido demostró su capacidad para producir compuestos de alto valor junto con la producción de hidrógeno. El catalizador también mantuvo el 98% de su forma original, garantizando estabilidad a largo plazo. Un avance importantae al nivel de la fragilización por hidrógeno.
Investigaciones previas sobre producción de hidrógeno se han limitado a fotocatalizadores que absorben rayos ultravioleta o involucran catalizadores tóxicos. Nuestro fotocatalizador de silicio es no tóxico y rentable. Permite una producción de hidrógeno de alta eficiencia a través de una excelente absorción solar. La técnica de modificación de superficie utilizando puntos cuánticos de grafeno dopados con níquel se puede aplicar no solo a fotocatalizadores de silicio, sino también a varios otros tipos de fotocatalizadores, abriendo nuevas posibilidades en aplicaciones energéticas.
Participantes en la investigación
El estudio contó con la participación conjunta de Yuri Choi (Profesor Investigador, Escuela de Ingeniería de Energía y Química, UNIST) y Sungho Choi (Programa de Maestría y Doctorado en Ciencia de Materiales Avanzados, POSTECH). Los hallazgos de este estudio se publicaron en Advanced Materials el 27 de julio de 2023. Esta investigación ha sido respaldada por subvenciones de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiadas por el Ministerio de Ciencia y TIC de Corea, así como el Programa de Investigación de Ciencias Básicas a través de la NRF financiado por el Ministerio de Educación de Corea.
Fuente: Ulsan National Institute of Science and Technology(UNIST)
