Un nuevo sistema altamente sensible para detectar la producción de gas hidrógeno puede desempeñar un papel importante en la búsqueda del desarrollo del hidrógeno como alternativa ecológica y económica a los combustibles fósiles, según científicos de Penn State.
“Hemos construido un nuevo sistema para detectar la evolución del hidrógeno que es el más sensible del mundo”, dijo Venkatraman Gopalan, profesor de ciencia e ingeniería de los materiales y de física en Penn State. “Esto aborda un problema que no se había abordado pero que es importante de cara al descubrimiento de materiales”.
La herramienta puede utilizarse para examinar prometedores fotocatalizadores, materiales que cuando se colocan en el agua y se exponen a la luz solar facilitan las reacciones que dividen las moléculas de agua en gases de hidrógeno y oxígeno, dijeron los científicos.
El proceso, llamado división del agua, ofrece una fuente de hidrógeno limpia y renovable, pero es ineficiente y encontrar los fotocatalizadores adecuados para impulsar la producción de hidrógeno ha sido un reto.
En un estudio, el equipo descubrió que podía probar cantidades más pequeñas de material fotocatalizador de lo que era posible hasta entonces y detectar cantidades muy pequeñas de gas hidrógeno producido, o evolución del hidrógeno, en el rango de decenas de nanomoles por hora por decenas de miligramos de material. Recientemente han publicado sus resultados en la revista Review of Scientific Instruments.
“Si se obtiene un resultado bajo en las dos categorías de tasa de evolución de hidrógeno y de masa del fotocatalizador necesario, significa que es un sistema realmente sensible para descubrir nuevos materiales fotocatalíticos”, afirma Huaiyu “Hugo” Wang, estudiante de posgrado del Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales que dirigió el estudio y construyó el sistema. “Y resulta que nuestro trabajo fue el mejor en ambas categorías”.
El desarrollo de fotocatalizadores es un área de intensa investigación. En Penn State, los científicos dirigidos por Ismaila Dabo, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales, utilizaron recientemente un superordenador para reducir una lista de más de 70.000 compuestos diferentes a seis candidatos prometedores. Otro equipo dirigido por Raymond Schaak, catedrático de química de materiales de DuPont, sintetizó los materiales en su laboratorio, pero crear incluso pequeñas cantidades es caro y requiere mucho tiempo.
“Los fotocatalizadores típicos utilizan metales raros y preciosos, como el platino, que son enormemente caros”, explica Julian Fanghanel, estudiante de posgrado en ciencia e ingeniería de los materiales, coasesorado por Dabo y Schaak. “Para este proyecto, estamos fabricando docenas de muestras de materiales, por lo que hacerlas en grandes cantidades es poco práctico, lleva mucho tiempo y es costoso”.
Gopalan dijo que el nuevo sistema permitirá a los científicos probar cantidades más pequeñas de estos materiales y centrar los esfuerzos en los candidatos más prometedores. Pero cuando llegó el momento de probar las muestras, los investigadores descubrieron que los equipos comerciales no eran lo suficientemente sensibles, así que Gopalan y Wang construyeron los suyos propios.
“Desarrollaron desde cero una configuración de cromatografía de gases de sensibilidad única para la detección reproducible de hidrógeno, que fue fundamental para la validación de nuestras predicciones computacionales”, dijo Dabo. “Esta capacidad recién desarrollada fue un elemento clave para confirmar el descubrimiento de nuevos fotocatalizadores para la producción solar de hidrógeno”.
A diferencia de las unidades comerciales, el nuevo diseño puede probar los fotocatalizadores en su estado desnudo, dijeron los científicos. Para ser eficaces, los fotocatalizadores requieren co-catalizadores y otras técnicas que mejoren aún más su eficacia.
El estándar de oro, por ejemplo, es el dióxido de titanio con partículas de platino añadidas como cocatalizador. Los fotocatalizadores sin estos complementos se consideran desnudos.
“Cuando buscamos nuevos materiales, no sabemos cuáles serán los cocatalizadores correctos”, dijo Wang. “La respuesta sencilla es que detectar la forma desnuda es la forma más rápida de ayudar a guiar la dirección de este proceso de descubrimiento de materiales”.
Según los científicos, dos de los materiales fotocatalizadores probados en el marco del estudio obtuvieron mejores resultados que el dióxido de titanio en su estado desnudo. Los resultados sugieren que un estudio más profundo de estos materiales podría dar lugar a fotocatalizadores prometedores.
“Si un compuesto desnudo se comporta mucho mejor que el dióxido de titanio, sabemos que se trata de un material potencialmente optimizable”, dijo Wang. “Si encontramos los cocatalizadores adecuados para esos materiales, podemos mejorarlos en órdenes o magnitudes y estos materiales podrían llegar a ser útiles en la división del agua”.
Los científicos afirmaron que el sistema es asequible y fácil de construir a partir de componentes disponibles en el mercado. Presenta una baja tasa de fugas y un pequeño volumen de la cámara de reacción, lo que permite una sensibilidad de detección de la evolución del hidrógeno tres órdenes de magnitud superior a la de un sistema convencional de cromatografía de gases.
“No se trata de una tecnología nueva, sino de una ingeniería superior”, afirma Gopalan. “El valor de esto es que se trata de un sistema sencillo y rentable que cualquiera puede construir. Y si lo hacen, su investigación para descubrir nuevos fotocatalizadores va a ir mucho más rápido”.
Noticia tomada de: Phys / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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