El gas hidrógeno es una fuente prometedora de combustible limpio. La extracción de hidrógeno del agua utilizando la luz solar podría proporcionar una alternativa ecológica a los combustibles fósiles, aseguran los científicos de PennState University.
El nuevo sistema de detección puede señalar el camino hacia la energía de hidrógeno limpia y renovable
Un nuevo sistema altamente sensible para detectar la producción de gas hidrógeno puede desempeñar un papel importante en la búsqueda para desarrollar hidrógeno como una 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 materiales y física en Penn State. «Esto aborda un problema que no se había abordado pero que es importante para el descubrimiento de materiales».
La herramienta se puede utilizar para detectar fotocatalizadores prometedores, materiales que, cuando se colocan en 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 desafío.
En un estudio, el equipo descubrió que podían probar cantidades más pequeñas de material fotocatalizador de lo que era posible anteriormente y detectar cantidades muy pequeñas de hidrógeno gaseoso producido, o evolución de hidrógeno, en el rango de decenas de nanomoles por hora por decenas de miligramos de material. Recientemente publicaron sus hallazgos en Review of Scientific Instruments .
«Si obtuvo una calificación baja tanto en las categorías de tasa de evolución de hidrógeno como en la masa del fotocatalizador necesario, significa que es un sistema realmente sensible para descubrir nuevos materiales fotocatalíticos», dijo Huaiyu «Hugo» Wang, estudiante graduado en el Departamento de Materiales. Ciencia e Ingeniería que dirigió el estudio y construyó el sistema. “Y resulta que nuestro trabajo se clasificó como el mejor en ambas categorías”.
El desarrollo de fotocatalizadores es un área de intensa investigación
En Penn State, los científicos dirigidos por Ismaila Dabo, profesora asociada de ciencia e ingeniería de materiales, utilizaron recientemente una supercomputadora para reducir una lista de más de 70 000 compuestos diferentes a seis candidatos prometedores . Otro equipo dirigido por Raymond Schaak, profesor de química de materiales de DuPont, sintetizó los materiales en su laboratorio, pero crear incluso pequeñas cantidades es costoso y requiere mucho tiempo.
“Los fotocatalizadores típicos usan metales raros y preciosos como el platino, que son inmensamente caros”, dijo Julian Fanghanel, un estudiante graduado en ciencia e ingeniería de materiales que es coasesorado por Dabo y Schaak. “Para este proyecto, estamos haciendo docenas de muestras de materiales, por lo que hacerlo en grandes cantidades no es 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 analizar las muestras, los investigadores descubrieron que los equipos comerciales no eran lo suficientemente sensibles, por lo que Gopalan y Wang construyeron los suyos.
“Desarrollaron desde cero una configuración de cromatografía de gases excepcionalmente sensible para la detección reproducible de hidrógeno, que fue fundamental para la validación de nuestras predicciones computacionales”, dijo Dabo.
“Esta capacidad recientemente desarrollada fue un factor 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 fotocatalizadores en su estado original, dijeron los científicos. Para ser efectivos, los fotocatalizadores requieren cocatalizadores y otras técnicas que mejoren aún más su eficiencia. 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 simple es: detectar la forma desnuda es la forma más rápida de ayudar a guiar la dirección de este proceso de descubrimiento de materiales».
Dos de los materiales fotocatalizadores probados como parte del estudio funcionaron mejor que el dióxido de titanio en su estado puro, dijeron los científicos. Los hallazgos sugieren que un mayor estudio de esos materiales podría producir fotocatalizadores prometedores.
“Si tiene un compuesto desnudo que se comportó mucho mejor que el dióxido de titanio, entonces sabemos que este es un material potencial para optimizar”, dijo Wang. «Si encontramos los cocatalizadores correctos para esos materiales, podemos mejorarlos en órdenes o en magnitud y estos materiales eventualmente podrían ser útiles en la división del agua».
Los científicos dijeron que el sistema es asequible y fácil de construir a partir de componentes disponibles comercialmente.
Cuenta con una tasa de fugas baja y un tamaño de volumen de cámara de reacción pequeño, lo que permite una sensibilidad de detección tres órdenes de magnitud mayor para la evolución de hidrógeno que un sistema de cromatografía de gases convencional.
“No es una tecnología completamente nueva, es simplemente una ingeniería superior”, dijo Gopalan. “El valor de esto es que es un sistema simple y rentable que cualquiera puede construir. Y si lo hacen, su investigación para descubrir nuevos fotocatalizadores será mucho más rápida”.
También contribuyó desde Penn State Rebecca Katz, estudiante de posgrado en el Eberly College of Science.
La Fundación Nacional de Ciencias apoyó esta investigación.
Fuente: PennState
