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Fundamentals Of Photocatalytic Splitting of Water

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Hidrógeno renovable: una mayor comprensión para desarrollar catalizadores mejores

Para desarrollar catalizadores eficaces que permitan producir hidrógeno solar a través de la disociación fotoelectroquímica del agua, primero se necesita una mejor comprensión de lo que sucede a nivel molecular durante esta reacción. Un equipo de investigadores financiado con fondos europeos ha logrado precisamente esto.

Energía

Hace casi cincuenta años que se descubrió que el dióxido de titanio permite la disociación del agua en hidrógeno y oxígeno con la ayuda de la luz solar. Este gran avance podría ser clave para facilitar la producción de hidrógeno renovable, uno de los vectores energéticos más prometedores. «Para obtener hidrógeno a partir del agua, solo se necesita agua, luz solar y un catalizador, y —por definición— el catalizador puede reutilizarse. Cuando el hidrógeno se utiliza después para producir energía, solo se libera agua, lo que convierte al hidrógeno en un vector energético muy limpio», explica Ellen Backus, catedrática de Química Física en la Universidad de Viena. El dióxido de titanio sigue siendo considerado hoy día como un fotocatalizador de referencia y ha sido objeto de muchas investigaciones destinadas a mejorar la eficacia del proceso. Con todo, medio siglo después de su descubrimiento, aún se dispone de un conocimiento muy limitado de lo que acontece a nivel molecular durante la disociación fotocatalítica del agua. Un equipo de investigadores liderado por Backus ha dado pasos decisivos para dilucidar este enigma. El proyecto FOPS-water (Fundamentals Of Photocatalytic Splitting of Water), respaldado por el Consejo Europeo de Investigación (CEI), aportó conocimientos nuevos sobre el mecanismo molecular del proceso.

Un planteamiento ascendente

El equipo del proyecto obtuvo sobre todo una mejor comprensión de cómo se une el agua al fotocatalizador y cómo afecta la acidez a lo que ocurre en la interfaz de los dos compuestos. Los investigadores analizaron la orientación de las moléculas de agua con respecto al fotocatalizador y la intensidad con la que interactúan, tanto entre sí como con el fotocatalizador. Esto constituye un avance sustancial para mejorar la comprensión del mecanismo de disociación fotocatalítica del agua lo que, a su vez, podría ayudar a los investigadores a hacer más eficiente el fotocatalizador. «Comprender este proceso constituirá un paso decisivo a la hora de diseñar fotocatalizadores más baratos y eficaces. Actualmente, la optimización del catalizador se logra a través de un proceso de prueba y error. Nuestros resultados podrían favorecer un planteamiento ascendente», comenta Backus. Si bien otros estudios previos habían tratado de dilucidar la reacción de disociación del agua en la interfaz del electrodo fotoelectroquímico, habían seguido un enfoque teórico o habían empleado condiciones extremas, como bajas temperaturas o vacío ultraalto (lo que permite la «observación» experimental de moléculas), que no representan las condiciones normales de funcionamiento de los dispositivos de uso comercial. FOPS-water ha permitido colmar esta laguna de conocimiento, señala Backus: «Mejoramos la comprensión de este proceso a nivel molecular en entorno próximos a las condiciones reales».

Una perspectiva general a microescala

El equipo estudió asimismo lo que sucede tras excitar el fotocatalizador, es decir, al elevar su nivel de energía. Backus explica: «La excitación básicamente imita la acción de la luz solar y el resultado principal es que la fotoexcitación modifica la carga de la superficie a la que las moléculas de agua adaptan su orientación». Además de estas características, el equipo analizó cuán rápido se puede disipar la energía durante el proceso y en qué escala temporal tiene lugar la reacción. También dividieron la reacción en sus distintos pasos. Actualmente, el equipo del proyecto emplea los conocimientos adquiridos durante FOPS-water para estudiar la interfaz entre el agua y otros fotocatalizadores. Su objetivo es obtener una perspectiva más general del funcionamiento de los catalizadores a fin de identificar parámetros relevantes para el diseño de catalizadores. Estos progresos podrían acercarnos un poco más al desarrollo de catalizadores adecuados para la producción sostenible de hidrógeno a gran escala para respaldar su uso en aplicaciones como los coches.

Palabras clave

FOPS-water, hidrógeno, disociación del agua, catalizador, fotocatalizador, escala molecular, dióxido de titanio, interfaz

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