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13/04/2018

Fotocatalizadores basados en grafeno para obtener hidrógeno

fotocatalizadores basados en grafeno
Los materiales de grafeno son una alternativa eficiente, barata, abundante y no tóxica para catalizar la obtención de hidrógeno a partir de la separación fotoinducida del agua, el cual puede ser utilizado como combustible renovable. Un equipo del Instituto de Ciencias de los Materiales (ICMAB) ha fabricado, mediante tecnología láser, un material en polvo de grafeno dopado con nitrógeno en distintas condiciones experimentales para diferentes funciones catalizadoras en el proceso, de una forma simple, versátil y escalable a la industria.

La enorme cantidad de energía que consume la sociedad actual, principalmente basada en combustibles fósiles, está provocando un impacto sin precedentes en la biosfera. Es, por tanto, imperativo sustituir las fuentes de energía convencionales por tecnologías sostenibles. Una alternativa muy prometedora consiste en el uso de hidrógeno como combustible renovable a partir de la separación fotoinducida del agua por luz solar mediante fotocatalizadores semiconductores.

Se está investigando una gran diversidad de catalizadores, siendo el dióxido de titanio (TiO2) uno de los más estudiados dada su poca toxicidad, estabilidad, abundancia y bajo coste. Los sistemas catalizadores suelen usar cocatalizadores de metales nobles o tierras raras para mejorar su eficiencia. Sin embargo, hay que tener en cuenta que muchos de estos materiales son escasos y presentan un precio muy elevado. Por este motivo, se está llevando a cabo un gran esfuerzo de investigación en la búsqueda de materiales abundantes y baratos que puedan actuar como catalizadores de alta eficiencia.

Una alternativa interesante a los catalizadores tradicionales consiste en utilizar materiales de carbono, ya que es un elemento abundante, barato y no tóxico. En particular, materiales basados en grafeno, que es una forma alotrópica bidimensional del carbono, han despertado grandes expectativas debido a sus excelentes propiedades físico-químicas. Muchos estudios demuestran que materiales basados en grafeno dopado con nitrógeno presentan una gran eficiencia fotocatalítica y son firmes candidatos para ser utilizados en la generación de hidrógeno a partir de la separación inducida del agua.

En nuestro estudio, hemos utilizado una metodología basada en tecnología láser para fabricar material en polvo de grafeno dopado con nitrógeno de manera simple, versátil y escalable a la industria. El método consiste en irradiar con pulsos láser ultravioleta dispersiones acuosas de óxido de grafeno y líquido iónico basado en la molécula de imidazol. La radiación láser provoca reacciones químicas complejas entre los grupos funcionales del óxido de grafeno y las moléculas de imidazol adyacentes, provocando su transformación estructural. De esta manera, se consigue la deoxidación de las plaquitas de óxido de grafeno, así como su dopaje con distintas funcionalidades de nitrógeno (grafítico, piridínico y pirrólico). Una vez finalizado el proceso de irradiación, el polvo en suspensión se filtra y seca, quedando listo para ser utilizado como fotocatalizador.

Se ha analizado la actividad de los materiales obtenidos en distintas condiciones experimentales para la generación de hidrógeno a partir de la separación inducida del agua y se ha observado que el material de grafeno rico en nitrógeno grafítico presenta potencialidad como fotocatalizador, mientras que el material de grafeno con mayor presencia de nitrógeno piridínico muestra una sinergia muy interesante con nanopartículas de TiO2, actuando como cocatalizador.

Dr. Angel Pérez del Pino
Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC)

Referencias