L’hidrogen és imprescindible per facilitar la transició energètica sempre que s’obtingui a partir de fonts renovables d’energia (el que s’anomena ‘hidrogen verd’). Des de fa temps se sap que els electrons d’alguns semiconductors poden participar en reaccions químiques quan s’il·luminen amb la llum del Sol. Aquest és el cas del diòxid de titani, un producte barat i innocu que s’utilitza àmpliament com a pigment blanc en pintures, plàstics, papers, tintes i productes cosmètics. Els electrons excitats del diòxid de titani són capaços de generar hidrogen a partir dels protons de l’aigua i compostos orgànics. No obstant això, la producció d’hidrogen és molt baixa perquè els electrons tenen tendència a relaxar-se en lloc de reaccionar, de manera que l’eficiència del procés és insuficient des del punt de vista pràctic.

Aquesta limitació es pot solucionar posant en contacte el diòxid de titani amb nanopartícules metàl·liques, les quals actuen de filtres dels electrons, allargant la vida dels mateixos en un estat excitat per reaccionar i produir l’hidrogen. Així s’assoleixen rendiments centenars de vegades més grans.

Amb l'estudi liderat per l’investigador Ramón y Cajal Lluís Soler i el catedràtic Jordi Llorca, ambdós del grup de recerca ENCORE-NEMEN del Departament d’Enginyeria Química i l’Institut de Tècniques Energètiques (INTE) de la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC), i que també formen part del Centre Específic de Recerca de l’Hidrogen (CER-H2), es fa un pas endavant en la producció sostenible d’hidrogen.

Els investigadors han dipositat clústers metàl·lics mitjançant un procés mecanoquímic sobre nanopartícules de diòxid de titani amb morfologies diferents i han constatat que les diferents cares cristal·logràfiques exposades del diòxid de titani també tenen un paper clau en la producció d’hidrogen. Tant l’estabilitat dels fotocatalitzadors com la intensitat del bescanvi d’electrons entre el semiconductor i les nanopartícules metàl·liques estan fortament relacionades amb les cares exposades del semiconductor, les quals són responsables de la mobilitat dels àtoms i la seva agregació.

Més quantitat i més estable
Els resultats són clars. Quan es dipositen clústers de platí sobre nanopartícules octaèdriques de diòxid de titani s’obté un fotocatalitzador que produeix molt més hidrogen i, el que és més important, molt més estable que qualsevol altra combinació. Tot un exemple de com es pot aplicar la nanotecnologia per dissenyar nous dispositius en el camp de l’energia. Per entendre els resultats, Claudio Cazorla, investigador Ramón y Cajal del Departament de Física de la UPC, ha realitzat càlculs mecanoquàntics a fi d’investigar l’estructura electrònica dels fotocatalitzadors, que s’han comparat amb els resultats d’espectroscòpia fotoelectrònica de raigs X obtinguts al Centre de Recerca en Ciència i Enginyeria Multiescala de la UPC. Aquest centre està ubicat al Campus Diagonal-Besòs, com també ho està l’Escola d’Enginyeria Barcelona Est (EEBE), on imparteixen docència els investigadors.  

Els resultats d’aquesta recerca, publicats a la revista científica Nature Communications, han de permetre el disseny de nous catalitzadors per a la producció eficient i sostenible d’hidrogen verd. Al CER-H2 ja s’està treballant per portar aquests resultats a la pràctica. En l'estudi també hi ha participat Yufen Chen, estudiant de doctorat de la UPC, juntament amb els investigadors de l'Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2).

Referència bibliogràfica

• Facet-engineered TiO₂ drives photocatalytic activity and stability of supported noble metal clusters during H₂ evolution.
  Yufen Chen, Lluís Soler, Claudio Cazorla, Jana Oliveras, Neus G. Bastús, Víctor F. Puntes, Jordi Llorca
  

  Nature Communications 2023, 3 d’octubre
  https://doi.org/10.1038/s41467-023-41976-2

Declaracions dels investigadors (YouTube)

•  Lluís Soler, investigador del CER-H2, detalla com han desenvolupat un catalitzador per produir hidrogen amb llum solar
• Jordi Llorca, investigador del CER-H2, explica com han combinat diòxid de titani amb nanopartícules metàl·liques per produir hidrogen verd