Científicos prueban una muestra de un fotocatalizador semiconductor de dióxido de titanio (TiO₂) después de haber sido mejorado en el laboratorio del Centro de Investigación de Materiales de Shenyang del Instituto de Investigación de Metales de la Academia de Ciencias de China el 7 de abril. Foto: Xinhua
Hace 150 años, el escritor de ciencia ficción Julio Verne predijo que el agua se convertiría en el combustible definitivo del futuro. Hoy, los científicos trabajan para hacer realidad esa predicción.
Liu Gang, director del Instituto de Investigación de Metales de la Academia de Ciencias de China y jefe del equipo de investigación, dijo que el equipo de investigación científica chino ha logrado recientemente un progreso revolucionario en el campo de la "división fotocatalítica del agua para generar hidrógeno".
Mediante la “reestructuración” y la “sustitución de elementos” en el material semiconductor fotocatalítico dióxido de titanio (TiO₂), el equipo mejoró significativamente la eficiencia de generación de gas hidrógeno directamente a partir de la luz solar.
Los resultados de la investigación relacionada fueron publicados en el Journal of the American Chemical Society el 8 de abril.
Actualmente, existen dos métodos principales para producir hidrógeno a partir de energía solar.
Una de ellas consiste en utilizar paneles solares para generar electricidad y luego electrolizar el agua; aunque es muy eficiente, el equipo es complejo y costoso.
La segunda es la fotólisis directa utilizando luz solar, empleando materiales semiconductores como el dióxido de titanio para “dividir el agua” bajo la luz solar.
El equipo de Liu Gang se centró en el segundo método.
Según la introducción, el método tradicional de usar dióxido de titanio para la desintegración del agua presenta un gran obstáculo: al incidir la luz sobre el dióxido de titanio, este genera partículas con carga eléctrica (electrones y huecos electrónicos) en su interior. Estas partículas son las herramientas para desintegrar el agua. Sin embargo, estos electrones y huecos electrónicos son inestables.
Los electrones y los huecos son como coches de carreras extraviados, dando tumbos al azar en un laberinto que constituye la estructura del material; la mayoría se recombinará y desaparecerá en una millonésima de segundo. Además, el proceso de fabricación a alta temperatura a menudo provoca que los átomos de oxígeno se desprendan, creando vacantes de oxígeno y captura de electrones, todo lo cual reduce la eficiencia de la reacción fotocatalítica, explicó Liu Gang.
Para solucionar esto, el equipo de investigación introdujo de forma creativa un elemento "vecino" del titanio en la tabla periódica: el escandio (Sc), para mejorar el dióxido de titanio. Los resultados mostraron que el escandio posee tres ventajas principales:
En primer lugar, el radio iónico de Sc es similar al de Ti, por lo que puede incrustarse en la red cristalina sin distorsionar la estructura.
En segundo lugar, el estado de valencia estable de Sc ayuda a neutralizar el desequilibrio de carga causado por la vacante de oxígeno.
En tercer lugar, los iones Sc pueden reestructurar la superficie del cristal, creando una estructura superficial especial, como si construyeran “autopistas e intersecciones para electrones y huecos de electrones”, ayudándolos a escapar del laberinto sin problemas.
Gracias a ajustes sofisticados, el equipo creó con éxito material de dióxido de titanio con un rendimiento sobresaliente: la capacidad de absorber rayos ultravioleta superó el 30%, la eficiencia de generación de hidrógeno bajo la luz solar simulada aumentó 15 veces en comparación con el mismo material, estableciendo un nuevo récord en este sistema de materiales.
“Si este material se utiliza para fabricar un panel fotocatalítico de un metro cuadrado, bajo la luz solar, puede producir unos 10 litros de gas hidrógeno al día”, dijo Liu Gang.
Los investigadores añadieron que el dióxido de titanio es un material inorgánico ampliamente utilizado en la industria, y que la producción china representa más del 50 % de la mundial, conformando una cadena industrial completa. Asimismo, las reservas chinas de tierras raras, como el escandio, también ocupan el primer lugar a nivel mundial . Esto crea una ventaja industrial potencial para el desarrollo y la aplicación de materiales fotocatalíticos en el futuro.
A medida que la eficiencia de la división del agua mediante energía fotovoltaica continúa mejorando, esta tecnología tendrá potencial para una aplicación a escala industrial, promoviendo la transformación de la estructura energética global.
Fuente: https://baotintuc.vn/khoa-hoc-cong-nghe/trung-quoc-dat-dot-pha-moi-trong-tien-trinh-nghien-cuu-bien-nuoc-thanh-nhien-lieu-20250409112539937.htm
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