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| Un aerogel en forma de tableta compuesto por paladio y nanopartículas de TiO2 dopadas con nitrógeno. Crédito: Markus Niederberger / ETH Zurich |
Los aerogeles son materiales extraordinarios que han establecido más de una docena de Récords Mundiales Guinness, incluso como los sólidos más ligeros del mundo.
Los investigadores de la ETH de Zúrich han desarrollado un nuevo fotocatalizador fabricado a partir de un aerogel que podría permitir una producción de hidrógeno más eficiente. El aerogel aumenta la eficiencia de la conversión de la luz en energía de hidrógeno, produciendo hasta 70 veces más hidrógeno que los métodos rivales.
El profesor Markus Niederberger, del Laboratorio de Materiales Multifuncionales de la ETH de Zúrich, lleva tiempo trabajando con estos materiales especiales.
Los aerogeles basados en nanopartículas pueden utilizarse como fotocatalizadores. Se emplean siempre que es necesario habilitar o acelerar una reacción química con la ayuda de la luz solar para obtener productos muy útiles en el mundo moderno, como el hidrógeno.
El material elegido para los fotocatalizadores es el dióxido de titanio (TiO2), que también es un semiconductor. Pero el TiO2 tiene una gran desventaja: solo puede absorber el espectro ultravioleta de la luz solar, que es solo un 5% del brillo total del sol. Para que la fotocatálisis sea eficaz y tenga utilidad industrial, el catalizador debe ser capaz de utilizar una gama más amplia de longitudes de onda.
La estudiante de doctorado de Niederberger, Junggou Kwon, ha buscado una forma nueva y alternativa de optimizar un aerogel hecho de nanopartículas de TiO2. Descubrió que si el aerogel de nanopartículas de TiO2 se "dopaba" con nitrógeno, de modo que los átomos de nitrógeno sustituyeran a los átomos de oxígeno del material, el aerogel podría absorber más partes visibles del espectro solar. El proceso de dopaje deja intacta la estructura porosa del aerogel.
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| La estructura interna del aerogel, similar a una esponja. Crédito: Laboratorio de Materiales Multifuncionales / ETH Zurich |
Al principio, Kwon fabricó el aerogel con nanopartículas de TiO2 y pequeñas cantidades del metal noble paladio, que desempeña un papel fundamental en la producción fotocatalítica de hidrógeno. A continuación, colocó el aerogel en un reactor y lo infundió con gas amoníaco. Esto hizo que los átomos de nitrógeno individuales se incrustaran en la estructura cristalina de las nanopartículas de TiO2.
Para comprobar si un aerogel modificado de este modo aumenta realmente la eficacia de la reacción química deseada -en este caso, la producción de hidrógeno a partir de metanol y agua-, Kwon desarrolló un reactor especial en el que colocó directamente el monolito de aerogel. A continuación, introdujo vapor de agua y metanol en el aerogel del reactor antes de irradiarlo con dos luces LED.
Kwon detuvo el experimento al cabo de cinco días, pero hasta ese momento la reacción era estable y procedía continuamente en el sistema de prueba. "El proceso probablemente habría sido estable durante más tiempo", afirma Niederberger. "Especialmente en lo que respecta a las aplicaciones industriales, es importante que sea estable durante el mayor tiempo posible". Los investigadores también quedaron satisfechos con los resultados de la reacción. La adición del metal noble paladio aumentó significativamente la eficiencia de la conversión: el uso de aerogeles con paladio produjo hasta 70 veces más hidrógeno que los que no lo tenían.
Fuentes, créditos y referencias:
Junggou Kwon et al, Gas-Phase Nitrogen Doping of Monolithic TiO2 Nanoparticle-Based Aerogels for Efficient Visible Light-Driven Photocatalytic H2 Production, ACS Applied Materials & Interfaces (2021). DOI: 10.1021/acsami.1c12579