Investigadores de la Facultad de Ciencias de la Universidad Estatal de Oregón han desarrollado un catalizador de doble propósito que purifica el agua contaminada con herbicidas y al mismo tiempo produce hidrógeno.

El proyecto, que incluyó a investigadores de la Facultad de Ingeniería de OSU y HP Inc. es importante porque la contaminación del agua es un desafío global importante y el hidrógeno es un combustible limpio y renovable.

Los hallazgos del estudio, que exploró los catalizadores fotoactivos, se publicaron hoy en la revista ACS Catalysis.

« Podemos combinar la oxidación y la reducción en un solo proceso para lograr un sistema fotocatalítico eficiente », dijo Kyriakos Stylianou de OSU. « La oxidación ocurre a través de una reacción de fotodegradación y la reducción a través de una reacción de evolución de hidrógeno ».

Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química sin sufrir ningún cambio químico permanente.

Los fotocatalizadores son materiales que absorben la luz para alcanzar un nivel de energía más alto y pueden usar esa energía para descomponer los contaminantes orgánicos a través de la oxidación. Entre las muchas aplicaciones de los fotocatalizadores se encuentran los recubrimientos autolimpiantes para paredes, pisos, techos y muebles resistentes a las manchas y los olores.

Stylianou, profesor asistente de química, dirigió el estudio, que involucró fotocatalizadores de dióxido de titanio derivados de un marco orgánico de metal, o MOF.

Compuestos por iones metálicos cargados positivamente rodeados de moléculas orgánicas « ligadoras », los MOF son materiales cristalinos y porosos con propiedades estructurales ajustables y poros nanométricos. Se pueden diseñar con una variedad de componentes que determinan las propiedades del MOF.

Tras la calcinación de los MOF (alto calentamiento sin derretirse), se pueden generar materiales semiconductores como el dióxido de titanio. El dióxido de titanio es el fotocatalizador más utilizado y se encuentra en los minerales anatasa, rutilo y brookita.

Stylianou y sus colaboradores, incluidos Líney Árnadóttir de la Facultad de Ingeniería de la OSU y William Stickle de HP, descubrieron que la anatasa dopada con nitrógeno y azufre era el mejor fotocatalizador « dos pájaros de un tiro » para producir hidrógeno y degradar simultáneamente el herbicida glifosato, muy utilizado.

El glifosato, también conocido como N-fosfonometilglicina o PMG, se ha rociado ampliamente en campos agrícolas durante los últimos 50 años desde que apareció por primera vez en el mercado con el nombre comercial Roundup.

« Solo un pequeño porcentaje de la cantidad total de PMG aplicado es absorbido por los cultivos y el resto llega al medio ambiente », dijo Stylianou. « Eso genera preocupaciones con respecto a la filtración de PMG en el suelo y las aguas subterráneas, como debería ser : el agua contaminada puede ser perjudicial para la salud de todos los seres vivos del planeta. Y los herbicidas que se filtran en los canales de agua son una causa principal de la contaminación del agua.  »

Entre una variedad de compuestos en los que se encuentra hidrógeno, el agua es el más común, y producir hidrógeno mediante la división del agua a través de la fotocatálisis es más limpio y más sostenible que el método convencional de obtención de hidrógeno a partir del gas natural a través de un proceso de producción de dióxido de carbono. conocido como reformado con vapor de metano.

El hidrógeno sirve para muchos propósitos científicos e industriales además de sus funciones relacionadas con la energía. Se utiliza en celdas de combustible para automóviles, en la fabricación de muchas sustancias químicas, incluido el amoníaco, en la refinación de metales y en la producción de plásticos.

« El agua es una rica fuente de hidrógeno, y la fotocatálisis es una forma de aprovechar la abundante energía solar de la Tierra para la producción de hidrógeno y la remediación ambiental », dijo Stylianou. « Estamos demostrando que a través de la fotocatálisis es posible producir un combustible renovable mientras se eliminan los contaminantes orgánicos o se convierten en productos útiles ».

La colaboración que incluyó al estudiante graduado Emmanuel Musa, el investigador postdoctoral Sumandeep Kaur y los estudiantes Trenton Gallagher y Thao Mi Anthony también probó su fotocatalizador contra el agua contaminada por otros dos herbicidas de uso frecuente, el glufosinato de amonio y el ácido 2,4-diclorofenoxiacético. También funcionó en el agua que los contenía, incluso en el agua con esos dos compuestos más PMG.

La investigación fue financiada por el Departamento de Química de OSU, el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias.