El material de óxido de titanio de Drexel permite que la luz solar impulse la producción de hidrógeno ecológico

Aug 18, 2023

Los planes de energía limpia, incluida la “Hoja de ruta para el hidrógeno limpio” de la Ley de Inversión en Infraestructura de EE. UU., cuentan con el hidrógeno como combustible del futuro. Pero la tecnología actual de separación de hidrógeno aún no alcanza los objetivos de eficiencia y sostenibilidad. Como parte de los esfuerzos en curso para desarrollar materiales que puedan permitir fuentes de energía alternativas, investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Drexel han producido un material de nanofilamentos de óxido de titanio que puede aprovechar la luz solar para desbloquear el potencial de la omnipresente molécula como fuente de combustible.

El descubrimiento ofrece una alternativa a los métodos actuales que generan gases de efecto invernadero y requieren una gran cantidad de energía. La fotocatálisis, un proceso que puede separar el hidrógeno del agua utilizando sólo la luz solar, se ha explorado durante varias décadas, pero sigue siendo una consideración más lejana porque los materiales catalizadores que permiten el proceso sólo pueden sobrevivir durante uno o dos días, lo que limita su larga duración. eficiencia a largo plazo y, en consecuencia, su viabilidad comercial.

El grupo de Drexel, dirigido por los investigadores de la Facultad de Ingeniería Michel Barsoum, PhD, y Hussein O. Badr, PhD, en colaboración con científicos del Instituto Nacional de Física de Materiales en Bucarest, Rumania, informó recientemente sobre su descubrimiento de un fotocatalítico basado en óxido de titanio, uno -Material de nanofilamentos dimensionales que puede ayudar a que la luz solar extraiga hidrógeno del agua durante meses. Su artículo “Lepidocrocita fotoestable con nanofilamentos 1D a base de TiO2 para la producción de hidrógeno fotocatalítico en mezclas de agua y metanol”, publicado en la revista Matter, presenta un camino sostenible y asequible para crear combustible de hidrógeno, según los autores.

"Nuestro fotocatalizador de nanofilamentos unidimensionales de óxido de titanio mostró una actividad sustancialmente mayor, en un orden de magnitud, que su contraparte comercial de óxido de titanio", dijo Badr. "Además, se descubrió que nuestro fotocatalizador es estable en agua durante 6 meses; estos resultados representan una nueva generación de fotocatalizadores que finalmente pueden iniciar la tan esperada transición de los nanomateriales del laboratorio al mercado".

El grupo de Barsoum descubrió nanoestructuras derivadas de hidróxidos (HDN), la familia de nanomateriales de óxido de titanio a la que pertenece el material fotocatalítico, hace dos años, mientras trabajaba en un nuevo proceso para fabricar materiales MXene, que los investigadores de Drexel están explorando desde hace varios años. de aplicaciones. En lugar de utilizar el ácido fluorhídrico cáustico estándar para grabar químicamente los MXenos bidimensionales en capas de un material llamado fase MAX, el grupo utilizó una solución acuosa de una base orgánica común, hidróxido de tetrametilamonio.

Pero en lugar de producir un MXene, la reacción produjo hebras delgadas y fibrosas a base de óxido de titanio, que el equipo descubrió que poseía 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 han demostrado previamente capacidades fotocatalíticas, por lo que probar nuestros nuevos nanofilamentos para detectar esta propiedad fue una parte natural de nuestro trabajo", dijo. "Pero no esperábamos encontrar que no sólo sean fotocatalíticos, sino que sean catalizadores extremadamente estables y productivos para la producción de hidrógeno a partir de mezclas de agua y metanol".

El grupo probó cinco materiales fotocatalizadores (HDN a base de óxido de titanio, derivados de varios materiales precursores de bajo costo y fácilmente disponibles) y los comparó con el material de óxido de titanio de Evonik Aeroxide, llamado P25, que es 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 iluminadora sintonizable que imita el espectro del sol. Los investigadores midieron tanto la cantidad de hidrógeno producido como la duración de la actividad en cada conjunto de reactor, así como la cantidad de fotones de la luz que produjeron hidrógeno cuando interactuaron con el material catalizador, una métrica para comprender la eficiencia catalítica de cada material.

Descubrieron que los cinco fotocatalizadores HDN a base de óxido de titanio funcionaban de manera más eficiente al utilizar la luz solar para producir hidrógeno que el material P25. 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, informa el equipo, pero un hallazgo aún más significativo fue que el material permaneció activo después de más de 180 días de exposición a la luz solar simulada.

"No se puede dejar de enfatizar el hecho de que nuestros materiales parecen ser termodinámicamente estables y fotoquímicamente activos en mezclas de agua y metanol durante períodos prolongados", dijo Badr. "Dado que nuestro material no es costoso de fabricar, fácil de ampliar e increíblemente estable en agua, vale la pena explorar sus aplicaciones en diversos procesos fotocatalíticos".

El siguiente paso de la investigación es comprender mejor por qué el material se comporta de esta manera, de modo que pueda optimizarse aún más como fotocatalizador. La teoría actual del equipo postula que la naturaleza unidimensional y la alta superficie teórica del material contribuyen a su actividad sostenida, pero se necesitan pruebas adicionales para confirmar estas sugerencias.

El grupo también está trabajando para encontrar otros aditivos, además del metanol, que sirvan como “apagadores de agujeros”, sustancias químicas que evitan que la reacción de división del agua invierta su curso, lo cual es algo común debido a la naturaleza algo caótica de las reacciones fotocatalíticas.

Los resultados son tan prometedores que el grupo ha fundado una startup 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 Ciencias para avanzar hacia su comercialización.

"Estamos muy entusiasmados con las posibilidades de este descubrimiento", dijo Barsoum. “El mundo necesita nuevos combustibles limpios y masivos que puedan sustituir a los combustibles fósiles. Creemos que este material puede desbloquear el potencial del hidrógeno verde”.

Además, el grupo está explorando otras aplicaciones para las HDN, incluido su uso en baterías, células solares, purificación de agua y tratamientos médicos. 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 variedad de usos posibles, según Badr.

“Nuestra familia de nanoestructuras HDN continúa impresionando a las diferentes comunidades con las que colaboramos. Estos nanofilamentos de óxido de titanio se pueden utilizar para numerosas aplicaciones, entre ellas la purificación del agua, la degradación de colorantes, las células solares de perovskita, las baterías de iones de litio y de azufre de litio, la diálisis con urea y la terapia del cáncer de mama, entre muchas más”.

Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias y el Ministerio de Investigación, Innovación y Digitalización de Rumania.

Además de Barsoum y Badr, Varun Natu y Matthew Racey, de Drexel; y Stefan Neatu, Florentina Neatu, Andrei Kuncser, Arpad M. Rostas y Mihaela Florea, del Instituto Nacional de Física de Materiales de Rumania, contribuyeron a esta investigación.

Lea el artículo completo aquí: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590238523002448#preview-section-references

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