Nuevo tipo de visible

Aug 31, 2023

Universidad de Johannesburgo

Imagen: Investigadores de la Universidad de Johannesburgo han desarrollado un nuevo tipo de fotocatalizador de luz visible eficiente y económico para procesos industriales. La investigación aparece en https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S246821792300062X.ver más

Crédito: Gráfico de Therese van Wyk, Universidad de Johannesburgo

Investigadores de la Universidad de Johannesburgo han desarrollado un nuevo tipo de fotocatalizador que aprovecha la porción visible del espectro solar. Actualmente, los fotocatalizadores económicos y respetuosos con el medio ambiente sólo "utilizan" el espectro ultravioleta de la luz solar, por ejemplo, el dióxido de titanio de uso común y otros equivalentes cercanos.

La investigación se publica en Journal of Science: Advanced Materials and Devices.

El fotocatalizador es el primer fotocatalizador de tres componentes con estas propiedades fotocatalíticas específicas. Está compuesto casi en un 90% por ingredientes económicos disponibles en el mercado y lo suficientemente simple como para producirlo a escala en laboratorios con recursos limitados.

En otros estudios se ha descrito un fotocatalizador que contiene el metal noble paladio (Pd), que "utiliza" también el espectro visible de la luz solar.

Por el contrario, el fotocatalizador de este estudio utiliza pequeñas cantidades del carburo de metal de transición menor, el niobio, para preparar el tercer componente, un nanomaterial conocido como MXene.

El carburo de niobio MXene se ha utilizado en una amplia gama de aplicaciones fotocatalíticas, como la generación de hidrógeno y la conversión de dióxido de carbono en productos valiosos.

En forma de polvo, el fotocatalizador también es extremadamente estable ante altas temperaturas, humedad y variaciones químicas.

El problema con los fotocatalizadores

Reducir el uso de energía en procesos industriales a granel puede resultar complicado. Pero ¿qué pasaría si una gran parte de la energía eléctrica consumida pudiera ser "recuperada" por el sol?

Los fotocatalizadores pueden "encenderse" mediante la luz solar y otras formas de luz. Estos pueden entonces facilitar procesos químicos en órdenes de magnitud. Estos catalizadores presentan potencial para ser utilizados en una variedad de industrias de generación de energía y desintoxicación ambiental.

Pero hay un problema. Actualmente, los fotocatalizadores muy eficaces suelen ser muy caros. También difícil e incluso peligroso de realizar.

Un componente importante del coste de los fotocatalizadores pueden ser metales como el platino, el paladio o el oro. El uso de metales en fotocatalizadores tampoco es deseable desde el punto de vista medioambiental.

Otro problema es que la mayoría de los fotocatalizadores actuales tienden a "encenderse" principalmente tras la exposición a la luz ultravioleta, que sólo constituye el 5% de la energía solar que llega a la superficie de la Tierra.

Mientras tanto, la luz visible constituye el 45% de la energía lumínica solar disponible y la infrarroja cercana el 50% restante.

Añadiendo un tercio del espectro de luz visible

El fotocatalizador que los investigadores diseñaron y probaron aprovecha aproximadamente un tercio del espectro de luz visible, dice el profesor Langelihle (Nsika) Dlamini. Dlamini es investigador del Departamento de Ciencias Químicas de la UJ.

Para poner números a esto, el espectro ultravioleta (UV) tiene longitudes de onda más cortas (alta energía), que van de 200 a 400 nanómetros. La luz solar visible tiene longitudes de onda más largas (baja energía), de 400 a 700 nanómetros.

La porción violeta-azul-cian-verde de la luz solar visible justo al lado de la luz ultravioleta es a lo que responde el fotocatalizador de los investigadores de la UJ. Esta porción de luz visible de baja energía también "enciende" el fotocatalizador para iniciar reacciones químicas.

“El fotocatalizador está excitado y tiene una baja tasa de recombinación indeseable de electrones y huecos en el rango de longitud de onda de 420 a 520 nanómetros. Esto se debe al diseño estructural único de los materiales integrados”, afirma Dlamini.

“Esto significa que el fotocatalizador debería poder responder a un 15% adicional de la energía solar disponible para iniciar procesos químicos, dependiendo de su eficiencia”, afirma.

Primer fotocatalizador de espectro visible económico y estable

Este estudio es el primero en realizar un fotocatalizador económico de metales no nobles, afirma el candidato a doctorado, Sr. Collen Makola.

“El rendimiento de cualquier fotocatalizador se puede medir evaluando su capacidad para convertir la energía solar y/o luminosa en energía química. Esto se conoce como eficiencia de la conversación foto-química, representada como mu.

"Nuestro fotocatalizador (mu = 4,86 ​​%) supera a un fotocatalizador de tres componentes (mu = 1,81 %), que apareció en un artículo de revista en 2017. Ese fotocatalizador estaba compuesto de plata, sulfuro de cadmio y óxido de zinc", dice Makola.

En las pruebas de temperatura, los investigadores comprobaron que el fotocatalizador es extremadamente estable hasta los 500 grados centígrados. Además, se confirmó la estabilidad en agua de diferentes niveles de pH que van desde pH 1 hasta pH 14.

Además, el fotocatalizador preparado se dispersa uniformemente en agua, una ventaja adicional para aplicaciones fotocatalíticas.

Tres ingredientes, casi sin metales.

Para conseguir un fotocatalizador con este rendimiento, los investigadores combinaron tres "ingredientes" para el diseño final del fotocatalizador.

En primer lugar, alrededor del 89% de la masa total del fotocatalizador en forma de polvo es carbono grafítico, dice Dlamini.

“El carbono grafítico es 'excitado' o 'encendido' por la luz ultravioleta en el rango de longitud de onda de 200 a 400 nanómetros. Produce electrones libres que luego pueden iniciar una variedad de procesos químicos”, añade Dlamini.

Los investigadores produjeron este ingrediente en uno de los laboratorios de la UJ.

El segundo ingrediente constituye aproximadamente el 10% de la masa final. Se trata del calixareno, en este caso una molécula con forma de copa.

“Incluimos el calixareno para que el fotocatalizador pueda 'atrapar' y descomponer moléculas orgánicas no deseadas, como productos personales, fármacos y sus metabolitos y otras sustancias en las aguas residuales municipales. Los calixarenos se utilizan desde hace décadas en fármacos”, añade Dlamini.

Los investigadores compraron el calixareno disponible en el mercado y luego lo modificaron.

El tercer ingrediente es el MXene.

"La función principal del MXene es evitar que los electrones fotogenerados del nitruro de carbono grafítico se recombinen o se 'cancelen' con las especies cargadas positivamente (conocidas como agujeros) bajo exposición a la luz visible", dice Makola.

El MXene que seleccionaron es aproximadamente el 1% de la masa final. Contiene carbono y una pequeña cantidad de niobio, un metal de coste relativamente bajo.

"Tanto el calixareno como el MXene contribuyeron al desplazamiento de la absorción de luz hacia la región visible del espectro solar", afirma Makola.

Aplicaciones versátiles y múltiples

Por su propia naturaleza, el fotocatalizador económico tiene un potencial significativo para múltiples aplicaciones industriales donde se dispone de luz solar o eléctrica para facilitar los procesos químicos, dice Dlamini. Esto varía desde el tratamiento de agua a granel hasta la esterilización de cuartos de cultivo o instalaciones médicas y más.

Actualmente, los investigadores están probando la capacidad del fotocatalizador para descomponer contaminantes orgánicos y residuos farmacéuticos en muestras reales de aguas residuales a escala de laboratorio.

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Fondos

Los investigadores agradecen a la Universidad de Johannesburgo (URC) y la Facultad de Ciencias (FRC), la Fundación Nacional de Investigación - CSUR (Subvención SRUG210223587616), la Fundación Nacional de Investigación y el Servicio Alemán de Intercambio Académico (NRF-DAAD) por el apoyo financiero para la investigación y el estudio.

Notas para los editores:

Paquete de medios

Para imágenes de alta resolución, vaya a

https://drive.google.com/drive/folders/1puls0BJhlKIYIjLB8HoNJfEcmVrD_5hv?usp=sharing

No es necesario registrarse ni iniciar sesión desde una computadora.

Para obtener más información o hablar con los investigadores involucrados, comuníquese con:

Sra. Therese van Wyk, enlace de investigación con los medios, Universidad de Johannesburgo, +27 71 139 8407 (móvil y Whatsapp), [email protected].

Revista de Ciencia de Materiales y Dispositivos Avanzados

10.1016/j.jsamd.2023.100593

Estudio experimental

No aplica

Una visión de una nueva heteroestructura fotocatalítica basada en Calix@Nb2CTx/g-C3N4 MXene sensibilizada con calixareno: propiedades de fabricación, fisicoquímicas, optoelectrónicas y fotoelectroquímicas

9-jun-2023

Los autores declaran que no tienen intereses financieros en conflicto ni relaciones personales conocidas que pudieran haber influido en el trabajo presentado en este artículo.

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