Por lo tanto, un equipo dirigido por el Prof. Dominik Eder del Instituto de Química de Materiales (TU Wien) se está centrando en el desarrollo de procesos ecológicos para obtener hidrógeno, por ejemplo, mediante fotocatálisis. Este proceso permite la conversión de moléculas de agua en hidrógeno con la ayuda de nada más que luz y un catalizador. A través de este proceso, la energía abundante y limpia del sol se puede almacenar en los enlaces químicos de este llamado combustible solar. Recientemente, los resultados se han publicado en la revista científica Advanced Energy Materials.

Nuevos fotocatalizadores

Cuando se produce hidrógeno verde por fotocatálisis, el catalizador juega un papel crucial. A diferencia de los catalizadores industriales, un fotocatalizador utiliza la energía de la luz para facilitar la división del agua a temperatura ambiente y presiones ambientales. Entre los candidatos más prometedores se encuentran los marcos organometálicos, los llamados MOF. Están formados por unidades de construcción inorgánicas moleculares que se mantienen unidas por moléculas enlazadoras orgánicas. Juntos, forman redes 3D altamente porosas que tienen un área de superficie excepcionalmente grande y excelentes propiedades de separación de carga.

Sin embargo, la mayoría de los MOF solo están activos bajo la irradiación de luz ultravioleta, razón por la cual la comunidad altera los compuestos orgánicos para hacerlos capaces de absorber la luz visible. Sin embargo, estas modificaciones tienen una influencia negativa en la movilidad de los electrones. Otra limitación se refiere a la extracción de carga, donde los electrones se liberan del material: « Si bien los MOF son realmente excelentes para separar los portadores de carga en las interfaces orgánico-inorgánicas, su extracción eficiente para uso catalítico sigue siendo un desafío », explica Dominik Eder.

Recientemente, los MOF con estructuras en capas han llamado mucho la atención para su uso en aplicaciones optoelectrónicas, ya que exhiben propiedades de extracción de carga muy mejoradas. « Puede imaginar estas estructuras en capas como un Manner Schnitte, donde el gofre es la parte inorgánica y el chocolate es el ligando orgánico que los mantiene unidos », ilustra Pablo Ayala, autor principal del estudio. « Solo necesitas hacer que la parte del waffle sea conductora ».

Desafíos en la división del agua

A diferencia de los MOF 3D, un MOF en capas generalmente no es poroso, lo que reduce el área catalíticamente activa a la superficie externa de las partículas. « Por lo tanto, tuvimos que encontrar una manera de hacer que estas partículas fueran lo más pequeñas posible », explica Eder. Sin embargo, la nanoestructuración de materiales suele ir acompañada de la introducción de defectos estructurales. Estos pueden actuar como trampas de carga y ralentizar la extracción de cargas. “A nadie le gusta un Manner Schnitte al que le falta chocolate”, continúa Ayala con su comparación. « En el caso de la fotocatálisis, también necesitamos el mejor material posible que se pueda producir ».

Por lo tanto, el equipo de Dominik Eder desarrolló una nueva ruta de síntesis en la que incluso las estructuras cristalinas más pequeñas se pueden producir sin defectos. Esto se logró en colaboración con universidades locales e internacionales. Los nuevos MOF en capas se basan en titanio y tienen una forma cúbica de solo unos pocos nanómetros de tamaño. El material ya ha sido capaz de alcanzar valores récord en la producción de hidrógeno fotocatalítico bajo la influencia de la luz visible.

Con la ayuda de simulaciones por computadora realizadas en Technion en Israel, el equipo pudo desentrañar el mecanismo de reacción subyacente y demostró dos cosas: primero, que la naturaleza en capas del MOF es clave para una separación y extracción de carga eficientes. En segundo lugar, los defectos de falta de ligando actúan como trampas de carga no deseadas que deben evitarse tanto como sea posible para mejorar el rendimiento fotocatalítico del material.

Actualmente, el grupo de investigación está diseñando nuevos MOF en capas y explorándolos para diversas aplicaciones energéticas.