Existen tres estrategias que permiten obtener hidrógeno de forma medioambientalmente limpia: la vía termoquímica, la vía fotobiológica y la vía fotocatalítica. Esta última es la que presenta más ventajas: bajo coste, buena eficiencia de conversión, posibilidad de separación de gases (O2 y H2), adaptabilidad del tamaño de reactor.
El hidrógeno obtenido mediante fotocatálisis es por lo tanto una fuente de energía renovable fácilmente acumulable y transportable. Por ello, el hidrógeno es utilizado para producir electricidad en las pilas combustibles, que pueden servir para aportar la energía necesaria para edificios o vehículos (motores de hidrógeno). El objetivo general del proyecto PHOTO-ACTIVE consiste en el desarrollo de nuevos recubrimientos fotocatalíticos y la optimización de sus propiedades ópticas para mejorar su aplicabilidad en el campo de la energía, y más concretamente para la obtención de hidrógeno a través de hidrólisis fotocatalítica. Además del objetivo general, se definen diversos objetivos técnicos específicos:
– Desarrollo de una nueva familia de recubrimientos fotocatalíticos basados en óxidos metálicos con capacidad de absorber energía tanto en el espectro UV como en el visible, dando lugar a la producción de hidrógeno por hidrólisis. Los materiales desarrollados deberán caracterizarse por tener potenciales suficientemente elevados para lograr activar la reacción de hidrólisis, y contar con bajos ratios de recombinación electrónica, lo cual permite mejorar la eficiencia del sistema.
– Optimización de la respuesta fotocatalítica de las superficies desarrolladas, de tal forma que se pueda aumentar la eficacia del sistema a la hora de producir hidrógeno. Para ello, se estudiará el efecto de diferentes tratamientos de dopado de los óxidos metálicos para lograr sistemas energéticamente más rentables que den lugar a una mayor producción de hidrógeno.
– Obtención de recubrimientos que combinen las propiedades fotocatalíticas con resistencia mecánica, química y frente a la corrosión (fotooxidación en contacto con agua), de cara a su potencial aplicación celdas fotoelectrolíticas.
Existen dos estrategias principales para obtener hidrógeno a través de la hidrólisis fotocatalítica del agua o water splitting. La primera de ellas está inspirada en la fotosíntesis, y consiste en utilizar sistemas de dos etapas. Se trata de combinar dos compuestos, cada uno de los cuales se encargará de una de las reacciones de las que consta la hidrólisis (producción de hidrógeno por reducción y de oxígeno por oxidación). Por ejemplo, el WO3 puede utilizarse en la reacción de oxidación, mientras que la reacción de reducción la llevan a cabo nitruros o sulfuros habitualmente, como por ejemplo ZnS. La segunda de las estrategias consiste en desarrollar un material capaz de producir la reacción fotocatalítica en un solo paso. A causa de sus propiedades ópticas, el óxido de titanio (TiO2) es uno de los materiales que más se ha estudiado. Sin embargo, el TiO2 presenta algunas desventajas: por un lado, solamente absorbe fotones del espectro UV, y por otro lado la recombinación de portadores de carga se produce con relativa facilidad en el óxido de titanio.
Por ello, y para solventar estos inconvenientes, en el proyecto PHOTO-ACTIVE se investigará la posibilidad de sintetizar nuevos materiales basados en óxidos metálicos modificados con capacidad de absorber en el espectro visible y con una mayor eficiencia de producción de hidrógeno.
En el proyecto se están desarrollando recubrimientos por PVD (AIN) y por LbL (UPNA-IMEM-GIMF), la caracterización de las nuevas superficies incluye el estudio de la composición química, estructura, propiedades fotocatalíticas y ópticas, propiedades mecánicas y comportamiento a corrosión. Ambas entidades cuentan con una amplia experiencia en proyectos de temáticas relacionadas con recubrimientos decorativo-funcionales en general y materiales fotocatalíticos en particular, habiendo participado en varios proyectos apoyados por las distintas administraciones (regionales, estatales y europeas).
Una vez completado el segundo y último hito del proyecto, como resultado principal del proyecto, cabe destacar que se han obtenido recubrimientos finos de óxidos de hierro (Fe2O3) y tungsteno (WO3) simples y combinados con elevadas propiedades fotocatalíticas y eficacia antibacteriana. Estos resultados se publicarán próximamente en la revista Journal of Nanoscience and Nanotechnology bajo el siguiente título: Antibacterial activity of photocatalytic metal oxide thin films deposited by Layer-by-Layer self-assembly, el artículo fue aceptado el 10 de marzo de 2020.
