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 solo la luz solar, se ha explorado durante varias décadas, pero se ha mantenido como una consideración más lejana porque los materiales catalizadores que permiten el proceso solo 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 una base de óxido de titanio fotocatalítico, uno Material de nanofilamento bidimensional que puede ayudar a la luz solar a extraer hidrógeno del agua durante meses. Su artículo « Lepidocrocito basado en TiO2 de nanofilamentos 1D fotoestables 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 Hussein. « Además, se descubrió que nuestro fotocatalizador es estable en agua durante 6 meses; estos resultados representan una nueva generación de fotocatalizadores que finalmente pueden lanzar la tan esperada transición de los nanomateriales del laboratorio al mercado ».

El grupo de Barsoum descubrió las 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 para una serie de aplicaciones. En lugar de usar el ácido fluorhídrico cáustico estándar para grabar químicamente los MXenes bidimensionales en capas de un material llamado fase MAX, el grupo usó 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 poseían 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 esta propiedad fue una parte natural de nuestro trabajo », dijo. « Pero no esperábamos encontrar que no solo son fotocatalíticos, sino que son 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 basados ​​en 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 Viabilidad comercial.

Cada material se sumergió en una solución de agua y metanol y se expuso a la luz visible ultravioleta 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 ensamblaje del reactor, así como la cantidad de fotones de la luz que producía hidrógeno cuando interactuaban con el material del catalizador, una métrica para comprender la eficiencia catalítica de cada material. .

Descubrieron que los cinco fotocatalizadores HDN a base de óxido de titanio funcionaron de manera más eficiente al usar la luz solar para producir hidrógeno que el material P25. Uno de ellos, derivado del carburo de titanio binario, es 10 veces más eficiente que el P25 para 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 exagerar el hecho de que nuestros materiales parecen ser termodinámicamente estables y fotoquímicamente activos en mezclas de agua y metanol durante períodos prolongados », dijo Hussein. « Dado que nuestro material no es costoso de fabricar, fácil de escalar e increíblemente estable en el agua, vale la pena explorar sus aplicaciones en varios procesos fotocatalíticos ».

El siguiente paso para la investigación es comprender mejor por qué el material se comporta de esta manera, para 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 un tanto caótica de las reacciones fotocatalíticas.

Los resultados son tan prometedores que el grupo ha fundado una startup de hidrógeno verde en torno a la 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 masivos que puedan suplantar a los combustibles fósiles. Creemos que este material puede desbloquear el potencial del hidrógeno verde ».

Además, el grupo está explorando otras aplicaciones para los HDN, incluido su uso en baterías, células solares, purificación de agua y tratamientos médicos. Según Hussein, su capacidad para producirse de manera fácil y segura en grandes cantidades diferencia a los HDN de otros nanomateriales, lo que los abre a una variedad de usos posibles.

« Nuestra familia de nanoestructuras HDN sigue impresionando a las muy diferentes comunidades con las que colaboramos. Estos nanofilamentos de óxido de titanio se pueden utilizar para varias aplicaciones, como la purificación de agua, la degradación de tintes, las células solares de perovskita, las baterías de iones de litio y de azufre de litio, diálisis de urea y terapia de cáncer de mama, entre muchos más ».