Investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Drexel han creado un material de nanofilamentos de óxido de titanio capaz de aprovechar la luz solar para impulsar la producción ecológica de hidrógeno durante meses.
El descubrimiento ofrece una alternativa a los métodos actuales, que generan gases de efecto invernadero y requieren gran cantidad de energía. “Nuestro fotocatalizador de nanofilamentos unidimensionales de óxido de titanio mostró una actividad sustancialmente superior —en un orden de magnitud— a la de su homólogo comercial de óxido de titanio”, afirmó el doctor Hussein O. Badr.
“Además, nuestro fotocatalizador se mantuvo estable en el agua durante 6 meses. Estos resultados representan una nueva generación de fotocatalizadores que puede lanzar por fin la tan esperada transición de los nanomateriales del laboratorio al mercado” añadió.
Nanoestructuras
El grupo de Barsoum descubrió las nanoestructuras derivadas de hidróxidos (HDN) —la familia de nanomateriales de óxido de titanio a la que pertenece el material fotocatalítico— mientras elaboraba un nuevo proceso para fabricar materiales de MXeno, que los investigadores de Drexel están explorando para diversas aplicaciones.
En lugar de utilizar el ácido fluorhídrico cáustico habitual para grabar químicamente los MXenos bidimensionales estratificados a partir de un material denominado MAX, el grupo utilizó una solución acuosa de una base orgánica común, el hidróxido de tetrametilamonio.
Pero en lugar de producir un MXeno, la reacción produjo hebras finas y fibrosas a base de óxido de titanio, que el equipo descubriría que poseían la capacidad de facilitar la reacción química que separa el hidrógeno de las moléculas de agua cuando se exponen a la luz solar.
“Los materiales de óxido de titanio ya habían demostrado anteriormente su capacidad fotocatalítica, por lo que era natural probar esta propiedad en nuestros nuevos nanofilamentos”, explicaron los investigadores. “Pero no esperábamos descubrir que no sólo son fotocatalíticos, sino que son catalizadores extremadamente estables y productivos para la producción de hidrógeno a partir de mezclas de agua y metanol” aseguraron.
Cinco materiales
El grupo probó cinco materiales fotocatalizadores —HDNs basados en óxido de titanio, derivados de varios materiales precursores de bajo coste y fácilmente disponibles— y los comparó con el material de óxido de titanio de Evonik Aeroxide, llamado P25, ampliamente aceptado como el material fotocatalizador más cercano a la viabilidad comercial.
Cada material se sumergió en una solución de agua y metanol y se expuso a luz ultravioleta visible producida por una lámpara de iluminación sintonizable que imita el espectro del sol. Los investigadores midieron la cantidad de hidrógeno producido y la duración de la actividad en cada reactor, así como el número de fotones de la luz que produjeron hidrógeno al interactuar con el material catalizador, una métrica para comprender la eficiencia catalítica de cada material.
Descubrieron que los cinco fotocatalizadores HDNs basados en óxido de titanio eran más eficaces que el material P25 a la hora de utilizar la luz solar para producir hidrógeno. Uno de ellos, derivado del carburo de titanio binario, es 10 veces más eficaz que el P25 a la hora de permitir que los fotones separen el hidrógeno del agua.
Esta mejora es bastante significativa por sí sola, según el equipo, pero un hallazgo aún más significativo fue que el material permaneció activo tras más de 180 días de exposición a la luz solar simulada.
“Nunca se insistirá lo suficiente en el hecho de que nuestros materiales parecen ser termodinámicamente estables y fotoquímicamente activos en mezclas de agua y metanol durante periodos prolongados”, afirma Hussein. “Dado que nuestro material no es costoso de fabricar, es fácil de ampliar y es increíblemente estable en agua, merece la pena explorar sus aplicaciones en diversos procesos fotocatalíticos”.
Siguientes pasos
El siguiente paso de la investigación es entender mejor por qué el material se comporta así, para poder optimizarlo como fotocatalizador. La teoría actual del equipo postula que la naturaleza unidimensional y la elevada superficie teórica del material contribuyen a su actividad sostenida, pero se necesitan más pruebas para confirmar estas sugerencias.
El grupo también trabaja en la búsqueda de otros aditivos, además del metanol, que actúen como “supresores de agujeros”, es decir, sustancias químicas que impidan que la reacción de división del agua invierta su curso, algo habitual debido a la naturaleza caótica de las reacciones fotocatalíticas.
Los resultados son tan prometedores que el grupo ha fundado una empresa emergente de hidrógeno verde en torno a esta tecnología y está trabajando con la Oficina de Innovación de Drexel y el Cuerpo de Innovación de la Fundación Nacional de la Ciencia para avanzar hacia su comercialización.
“Estamos entusiasmados con las posibilidades de este descubrimiento”, afirma el doctor Michel Barsoum, ingeniero que también forma parte de la investigación. “El mundo necesita masivamente nuevos combustibles limpios que puedan suplantar a los combustibles fósiles. Creemos que este material puede liberar el potencial del hidrógeno verde”.
Otras aplicaciones
Además, el grupo está estudiando otras aplicaciones de los HDN, como su uso en baterías, células solares, purificación de agua y tratamientos médicos. Según Hussein, su capacidad para producirse en grandes cantidades de forma fácil y segura diferencia a los HDN de otros nanomateriales, lo que los abre a una gran variedad de posibles usos.
“Nuestra familia de nanoestructuras HDNs sigue impresionando a las muy diversas comunidades con las que colaboramos. Estos nanofilamentos de óxido de titanio pueden utilizarse en numerosas aplicaciones, como la purificación del agua, la degradación de tintes, las células solares de perovskita, las baterías de iones de litio y de litio-azufre, la diálisis con urea y la terapia del cáncer de mama, entre muchas otras.”