Ruptura fotocatalítica de agua: una opción sustentable para la producción de H2

CELINA BARRIOS; ELIM ALBITER; RODOLFO ZANELLA

Catálisis y Medio Ambiente-Academia de Catálisis

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Lugar: Ciudad de México; Año: 2015; p. 109 - 140

En la actualidad, la búsqueda y desarrollo de alternativas a los combustibles fósiles se ha convertido en un tema urgente debido a múltiples factores: los efectos del calentamiento global, el crecimiento de la población mundial y consecuentemente un consumo ascendente de energía con la perspectiva de una duración limitada de las reservas de petróleo. Todo esto ha llamado la atención hacia el uso y la eventual sustitución de los combustibles fósiles por combustibles obtenidos de fuentes renovables y limpias tales como las energías mareomotriz, geotérmica, hidráulica y solar (Panwar y col., 2011; Lee D.-H., 2012).El hidrógeno representa una opción factible debido a que su capacidad energética y su combustión limpia representan características muy atractivas para su uso como vector de energía. El hidrógeno puede ser obtenido del agua, uno de los recursos naturales más abundantes en la Tierra, por medios fotocatalíticos usando luz solar (otra fuente de energía sustentable). Los procesos fotocatalíticos han llamado la atención de la comunidad científica, ya que son capaces de obtener hidrógeno por medio de la reacción de ruptura de la molécula de agua (water splitting, WS) (Bahruji y col., 2010; Maeda y Domen, 2010). Así la fotocatálisis puede convertir la energía lumínica en energía química (Primo y col., 2011).Algunos autores (Maeda y Domen, 2010) han estimado que para satisfacer un tercio de la demanda de energía del planeta en 2050, a partir de la energía solar, se necesita construir un aproximado de 10 000 plantas solares de producción de H2, con un área irradiada de 25 km2 para cada una. Así, el área total requerida, 250 000 km2, corresponde al 1 % del área desértica del planeta. Asumiendo una eficiencia del 10 % en la conversión de la energía solar, se producirían un total de 570 toneladas de H2 por día.Esta estimación muestra que la producción de H2 por medio de sistemas fotocatalíticos representa una alternativa sustentable para la sustitución de los combustibles fósiles; sin embargo, en la actualidad aún existen varios problemas que tienen que ser resueltos. Por ejemplo, se deben desarrollar foto-reactores que permitan alcanzar la superficie irradiada antes mencionada, a un bajo costo, tecnologías de captura y separación simultánea de los gases, etc.La eficiencia en la conversión de la energía solar de los procesos fotocatalíticos depende de cuatro etapas: absorción de luz, separación de carga, migración de carga, y recombinación de carga (Cushing y col., 2012).Los semiconductores usados en instrumentos fotocatalíticos tienen baja eficiencia en la conversión de energía solar debido a limitaciones en una o más de estas cuatro etapas. Por ejemplo, muchos de los semiconductores comúnmente usados (por ej. TiO2, ZnO, SnO2, o La2Ti2O7) absorben sólo luz ultravioleta (Li y col., 2008b; Tafen y col., 2009; Meng y col., 2012), que representa el ~4 % del total de la radiación solar que llega a la Tierra (Cushing y col., 2012). En contraste, la luz visible del espectro solar corresponde al 43 % de la energía incidente en la superficie de la Tierra.Durante los últimos 20 años, se ha buscado producir hidrógeno utilizando luz visible dado que se han registrado numerosos trabajos en el tema (Abe R., 2010; Primo y col., 2011; Wang y col., 2012b) y se han reportado varios semiconductores capaces de utilizar energía solar pero con baja eficiencia. Para lograr la producción de H2 con luz visible, se necesita diseñar nuevos materiales capaces de aumentar la eficiencia de reacción. Algunas de las estrategias que se han desarrollado para este fin son: i) depositar metales o no metales en la superficie de los semiconductores (Fan y col., 2013), ii) depositar óxidos metálicos de transición (Maeda y Domen, 2010), iii) dopar con metales o con no metales (Chen y col., 2010), por ej. no metales iónicos (tales como C, N y S) que cambian la foto-respuesta en la región visible (Ni y col., 2007), iv) el acoplado de dos semiconductores(Chen y col., 2010) y v) la sensibilización de la superficie con un colorante (Kudo y Miseki, 2008).El objetivo de este capítulo es introducir al lector en las diferentes estrategias empleadas hasta la fecha para generar un aumento en la eficiencia de producción fotocatalítica de H2. Inicialmente se describirán sucintamente los mecanismos y posteriormente se discutirá el uso de agentes de sacrificio para mejorar la cantidad producida de H2. Asimismo, se analizarán las estrategias empleadas para resolver los problemas asociados a la producción de H2 en catalizadores de diferente naturaleza, pero principalmente sobre aquellos basados en las modificaciones al sistema Au/TiO2, señalando los parámetros que afectan la actividad y estabilidad.