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Nanomateriales para producir hidrógeno con agua y luz solar

Un consorcio europeo, liderado por el Instituto IMDEA Materiales, ha puesto en marcha un proyecto para crear 'nanohíbridos' de compuestos de carbono con moléculas inorgánicas. El objetivo, separar moléculas de agua usando la luz solar y producir hidrógeno de forma más eficiente que hasta ahora.

Esquema de híbridos nanocarbono-inorgánico para producir hidrógeno por disociación fotocatalítica de agua. / IMDEA Materiales

El Instituto IMDEA Materiales lidera un consorcio europeo de universidades, centros de investigación y empresas que busca producir nuevos materiales híbridos de escala nanométrica combinando compuetos de carbono, como el grafeno, con otros inorgánicos, como el óxido de titanio.

El resultado tendrá capacidad para separar moléculas de agua usando luz solar y producir hidrógeno de manera más eficiente. En estudios recientes se ha observado que estos nanohíbridos pueden ser hasta 25 veces más fotoactivos que materiales convencionales.

El proyecto, denominado CARINHYPH y financiado por el 7º Programa Marco de la UE, tiene como fin producir nuevos materiales con mayor eficiencia fotocatalítica, combinando nanocarbonos –nanotubos de carbono y grafeno–, con inorgánicos fotoactivos como óxidos metálicos, también de tamaño nanométrico.

El potencial de estos nuevos nanohíbridos radica principalmente en tres características. La primera son sus dimensiones nanométricas, que hacen que tengan un área superficial muy grande y, por lo tanto, una mayor cantidad de superficie disponible para llevar a cabo la disociación de agua.

La segunda es que el nanocarbono extiende el espectro de absorción de luz del híbrido y esto amplía la cantidad de energía solar que se puede captar para la reacción fotocatalítica.

Otra ventaja es que durante la reacción de disociación se extiende la vida útil de la carga mediante la separación de la parte negativa –el electrón se transfiere al nanocarbono– de la positiva –el hueco se queda en el inorgánico–, evitando así su recombinación y permitiendo que completen la reacción fotocatalítica.

Reparto internacional del trabajo

Para poder materializar estos tres aspectos y obtener un híbrido con mayor eficiencia, que además pueda producirse a escala industrial y tener un impacto positivo en la sociedad, el proyecto cuenta con miembros con distintos perfiles. Los nanocarbonos se sintetizarán en la empresa Thomas Swan, suministrador de CNTs y grafeno de alta pureza.

Estos materiales serán funcionalizados en el laboratorio del profesor Maurizio Prato del INSTM para poder ser a continuación integrados con el inorgánico y formar el híbrido. La integración se llevará a cabo en IMDEA Materiales y las universidades de Cambridge y Münster, utilizando técnicas como deposición atómica por capas (ALD) e infiltración de giroides.

Posteriormente se evaluará la transferencia de carga en la interfaz nanocarbono/inorgánico utilizando novedosas técnicas de espectroscopía de femto-segundos en la universidad de Erlangen y se evaluará la producción de hidrógeno de distintos híbridos.

El proyecto cuenta con un presupuesto de 3,8 millones de euros

Con base en estos resultados, INAEL, una pyme española, construirá un reactor para demostrar el desempeño de los nuevos nanohíbridos en una escala semi-industrial.

Como parte final del proyecto, los miembros del consorcio prepararán una hoja de ruta para la explotación industrial de estos materiales, teniendo en cuenta el análisis de ciclo de vida completo de los materiales y procesos de producción desarrollados por EMPA.

El proyecto CARINHYPH comenzó en enero del 2013 y tendrá una duración de 3 años. El presupuesto total del proyecto asciende a 3,8 millones de euros, de los que el 75% provienen de la Comisión Europea.

La iniciativa se enmarca dentro de las investigaciones que tratan de colocar al hidrógeno como una fuente real de energía. Este elemento tiene un potencial enorme para ello. Además de por su alto contenido energético, produce agua como producto de la reacción de combustión en lugar de CO2 como en el caso de los hidrocarburos.

Uno de los retos en este campo está en la producción de hidrógeno de manera eficiente, es decir, obteniendo una mayor cantidad de energía comparada a la que se invierte en su obtención. Dentro de los métodos más prometedores se encuentra la separación de agua por fotocatálisis, en la cual un catalizador absorbe luz solar y lleva a cabo la descomposición de la molécula en hidrógeno y oxígeno, similar a la fotosíntesis que ocurre naturalmente en las plantas.

Fuente: Instituto IMDEA Materiales
Derechos: Creative Commons
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