Nanocristales de Dióxido de Titanio Hidrogenado Negro: La Ingeniería del desorden
Culturalmente, asociamos la limpieza con el color blanco. Los hospitales, los laboratorios y los productos de higiene suelen ser blancos, evocando pureza y esterilidad. Por el contrario, el negro se asocia con el carbón, el petróleo, el hollín y la suciedad.
En cambio, en el contexto del color de un objeto, un material blanco refleja todas las longitudes de onda del espectro visible mientras que un material negro, por el contrario, absorbe todas las longitudes de onda visibles. Esta idea la vamos a desarrollar en este blog hablando de la actividad fotocatalítica del TiO2 en función de su color.
Figura 1: Comparativa entre TiO2 blanco y negro [1]
El TiO2, compuesto de color blanco, es un semiconductor de banda prohibida ancha que es utilizado como fotocatalizador de diversos procesos como la electrolisis del agua. De hecho, es el más usado en fotocatálisis, debido a que es química y biológicamente inerte, no es tóxico, es estable a corrosión fotoquímica y química, es abundante y económico, además que posee una gran superficie que facilita reacciones superficiales rápidas. [2]
EL PROBLEMA DEL FOTOCATALIZADOR:
Cuando decimos que es un semiconductor de banda prohibida ancha, nos referimos a que el intervalo de energía entre la banda de valencia y de conducción es elevada, en torno a 3.0 y 3.2 e.V que se corresponde con luz ultravioleta, es decir, requiere luz ultravioleta para que sus electrones salten de la banda de valencia a la de conducción. Esto se traduce en que el TiO2 absorbe luz ultravioleta.
¿Cuál es el gran problema de esto? El problema es que el uso de radiación UV implica generarla, lo cual requiere el uso de energía eléctrica; por otro lado, si se quiere utilizar la luz UV presente en el espectro solar, solo absorbe una fracción pequeña (3 al 5%) de la luz solar [5].
¿Qué soluciones se han planteado? Se han estudiado y desarrollado alternativas para mejorar la actividad fotocatalítica.
AÑOS BUSCANDO SOLUCIONES:
Durante las décadas de los 90s y 00s, se han adicionado impurezas controladas metálicas y no metálicas que generan estados donantes o aceptores en la banda prohibida. También se ha demostrado la efectividad con autodopaje produciendo especies de Ti3+ en el TiO2. Gracias al dopaje, las características de absorción solar del TiO₂ se han mejorado en cierta medida, aunque su absorción en el visible y el infrarrojo sigue siendo insuficiente.
EL DESORDEN, UNA GRAN ALTERNATIVA:
En 2011, se publicó un artículo llamado Increasing Solar Absorption for Photocatalysis with Black Hydrogenated Titanium Dioxide Nanocrystals donde en lugar de dopar con elementos (metales, no metales, autodopaje), propusieron modificar la estructura cristalina del TiO2 con hidrógeno (ingeniería del desorden). Esto lo lograron sometiendo a los nanocristales de TiO2 blanco a un tratamiento de hidrógeno a alta presión y temperatura. Mediante este proceso, se observó un cambio drástico de color ( de blanco a negro).
En los estudios realizados, midieron la actividad fotocatalítica impulsada por la luz solar de los nanocristales negros de TiO₂ mediante la monitorización del cambio en la absorción óptica de una solución de azul de metileno a ~660 nm durante su proceso de descomposición fotocatalítica. La fotodegradación se completó después de 8 min para los nanocristales de TiO₂ negros , mientras que para los nanocristales de TiO₂ blancos sin modificar, en las mismas condiciones de prueba, tardó casi 1 hora.
En otro experimento, utilizaron un simulador solar de espectro completo como fuente de excitación para producir hidrogeno catalizado nanocristales negros de TiO₂ cargados con 0,6 % en peso de Pt donde se alcanzó una producción de H2 de 10 mmol h-1 g-1 de fotocatalizador. Esta tasa de producción de H₂ es aproximadamente dos órdenes de magnitud mayor que el rendimiento de la mayoría de los fotocatalizadores semiconductores.
Figura 4: Mediciones cíclicas de la generación de gas hidrógeno [7]
Por último, en otro estudio, El TiO2 negro mantuvo su actividad fotocatalítica durante pruebas de ciclados repetidos a lo largo de 22 días.
¿Por qué mejora la actividad fotocatalítica? Esto es debido a la generación de defectos estructurales en la red cristalina, dando lugar a vacantes de oxígeno, esta es la clave de porque el desorden es una gran alternativa al problema. Estas vacantes actúan como niveles de energía intermedios dentro de la brecha de banda, lo cual permite absorber fotones de menor energía, o lo que es lo mismo la luz visible [8].
¿Qué os parece a vosotros? Nosotros creemos que este método de desordenar la estructura del TiO2 blanco para obtener TiO2 negro es una gran avance en la ciencia de materiales ofreciéndonos la capacidad de bajar la energía de band gap a este semiconductor.
Como bien queda reflejado en nuestro blog, una de las la aplicaciones más importante del TiO2 como catalizador es la producción de hidrógeno verde. Esta aplicación genera un gran impacto en la sociedad, ya que contribuye directamente en la lucha contra el cambio climático debido a que no genera emisiones de CO2 y, además es muy versátil, usándose en transporte, generación de electricidad, industria química (producción de metanol y amoníaco) y calefacción.
Aparte de esta gran aplicación tiene otras muchas como en el desarrollo de nuevos tratamientos antibacterianos o en la purificación tanto de agua como de aire.
En definitiva, estamos seguros de que el TiO2 negro hidrogenado es uno de los nanomateriales mas prometedores actualmente ya que ofrece soluciones eficaces para el desafío que presenta el TiO2 como catalizador.
¿Y tú, estás de acuerdo con nosotros?
REFERENCIAS:
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