El hidrógeno es imprescindible para facilitar la transición energética, siempre que se obtenga a partir de fuentes renovables de energía (lo que se llama “hidrógeno verde”).

Desde hace tiempo, se sabe que los electrones de algunos semiconductores pueden participar en reacciones químicas cuando se iluminan con la luz del Sol. Este es el caso del dióxido de titanio, un producto barato e inofensivo que se utiliza ampliamente como pigmento blanco en pinturas, plásticos, papeles, tintas y productos cosméticos. Pues bien, los electrones excitados del dióxido de titanio son capaces de generar hidrógeno a partir de los protones del agua y compuestos orgánicos. Sin embargo, la producción de hidrógeno es muy baja, porque los electrones tienen tendencia a relajarse en lugar de reaccionar, por lo que la eficiencia del proceso es insuficiente desde el punto de vista práctico.

Esta limitación puede solucionarse poniendo en contacto el dióxido de titanio con nanopartículas metálicas, las cuales actúan de filtros de los electrones, alargando la vida de los mismos en un estado excitado para reaccionar y producir el hidrógeno. Así se alcanzan rendimientos cientos de veces mayores.

Con este estudio, liderado por el investigador Ramón y Cajal Lluís Soler y el catedrático Jordi Llorca,, ambos del grupo de investigación ENCORE-NEMEN del Departamento de Ingeniería Química y del Instituto de Técnicas Energéticas de la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC), y que también forman parte del Centro Específico de Investigación del Hidrógeno (CER-H2), se da un paso adelante en la producción sostenible de hidrógeno. Los investigadores han depositado clústeres metálicos mediante un proceso mecanoquímico sobre nanopartículas de dióxido de titanio con morfologías diferentes y han constatado que las diferentes caras cristalográficas expuestas del dióxido de titanio también juegan un papel clave en la producción de hidrógeno. Tanto la estabilidad de los fotocatalizadores como la intensidad del intercambio de electrones entre el semiconductor y las nanopartículas metálicas están fuertemente relacionadas con las caras expuestas del semiconductor, que son responsables de la movilidad de los átomos y su agregación.

Más cantidad y más estable
Los resultados están claros. Cuando se depositan clústeres de platino sobre nanopartículas octaédricas de dióxido de titanio se obtiene un fotocatalizador que produce mucho más hidrógeno y, lo que es más importante, mucho más estable que cualquier otra combinación. Todo un ejemplo de cómo aplicar la nanotecnología para diseñar nuevos dispositivos en el campo de la energía. Para entender los resultados, Claudio Cazorla, investigador Ramón y Cajal del Departamento de Física de la UPC, ha realizado cálculos mecanocuánticos para investigar la estructura electrónica de los fotocatalizadores, que se han comparado con los resultados de espectroscopia fotoelectrónica de rayos X obtenidos en el Centro de Investigación en Ciencia e Ingeniería Multiescala de la UPC. Este centro está ubicado en el Campus Diagonal-Besòs, como también lo está la Escuela de Ingeniería de Barcelona Este (EEBE), donde imparten docencia los investigadores.

Los resultados de esta investigación, que se publican en la revista científica Nature Communications, deben permitir el diseño de nuevos catalizadores para la producción eficiente y sostenible de hidrógeno verde. En el CER-H2 de la UPC ya se está trabajando para llevar estos resultados a la práctica.

En el estudio también ha participado Yufen Chen, estudiante de doctorado de la UPC, e investigadores del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnologia (ICN2).

Referencia bibliográfica

• Facet-engineered TiO₂ drives photocatalytic activity and stability of supported noble metal clusters during H₂ evolutiont.
  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