Tokyo Tech se trata de un grupo de científicos del Instituto de Tecnología de Tokio. Y ahora van a ser conocidos por haber utilizado el material de cobalto con el fin de crear el primer fotoelectroquímico de luz visible hecho de dióxido de titanio o TiO2.

Para conseguir tal hito, el enfoque que han propuesto es muy simple. Y con tal hecho han logrado un gran salto en la búsqueda de lograr una división del agua asequible para producir hidrógeno. Hecho aún más importante cuando tenemos en cuenta que actualmente se busca utilizar el hidrógeno como alternativa a los combustibles fósiles.

En lo referente al último punto, hay que destacar que la división fotoelectroquímica del agua es un procedimiento con el que la energía de la luz es utilizada para dividir las moléculas de agua en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2). Proceso muy prometedor en la búsqueda para conseguir un hidrógeno puro que funcione como combustible limpio alternativo.

Todo este proceso se encuentra realizado en celdas electroquímicas. Celdas que se caracterizan por tener un ánodo y un cátodo sumergido en agua, ambos conectados a través de un circuito externo.

  • Ánodo: Está producido por la oxidación del agua. Con lo que el O2 se produce al extraer energía de las ondas de luz. Ondas que transfieren energía a los electrones del material del ánodo para ser capaces de moverse a través del circuito externo para llegar al cátodo. Finalmente, al llegar al cátodo, los electrones recibidos y el material de cátodo hace que se forme H2.

El cobalto supone un gran avance

Hasta la fecha, todo científico resaltaba la complejidad de encontrar sistemas fotoelectroquímicos que lleven este proceso de manera eficiente debido a varias razones. Principalmente, a causa de que el dióxido de titanio (TiO2), material de fotoanodo, tan solo es capaz de absorber energía de la luz en la región ultravioleta. Teniendo en cuenta a que es mejor aprovechar la energía de la luz de longitud de onda más larga, el TiO2 se puede mezclar con metales nobles para sensibilizarlo a la luz visible. ¿El problema? Utilizarlo en aplicaciones a gran escala, tendría un precio muy elevado.

Desde el equipo de Tokyo Tech, para poder encontrar la solución a este problema, han creado el primer fotoanodo de luz visible hecho de TiO2 mejorado con un material abundante en la tierra: el cobalto. Han publicado su estudio en ACS Applied Materials & Interfaces. En él, explican el proceso con el que fabrican los fotoanodes.

  • Fotoanodes: Se trata de delgadas películas de TiO2 cultivadas sobre un sustrato mediante un procedimiento estándar. Tras ello, el cobalto es introducido por inmersión en una solución acuosa de nitrato de cobalto.
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«Este estudio demuestra que se puede construir una célula fotoelectroquímica impulsada por la luz visible para la oxidación del agua mediante el uso de metales abundantes en la tierra sin la necesidad de procedimientos de preparación complicados.» Afirmaba Kazuhiko Maeda, profesor autor de la investigación.

Los experimentos que han dado lugar al descubrimiento

Han sido diversos tipos de análisis de espectrometría y microscopía electrónica de barrido los que han hecho los investigadores para identificar la composición y estructura específica de la superficie modificada con cobalto del fotoanodo de TiO2 para comprender cómo el cobalto permite que el material absorba la luz visible para movilizar electrones y causar la oxidación del agua.

No hay que olvidar que los dominios de cobalto también sirven como sitios catalíticos que facilitan la oxidación del agua. Al igual que los investigadores han descubierto que la película delgada de TiO2 afecta el rendimiento del fotoanodo modificado. En principio, esto es a causa de permitir el alojamiento de átomos de cobalto. Por ello, la estructura de la película de TiO2 es fácilmente ajustable con los parámetros de fabricación. Esto permite al equipo realizar múltiples pruebas con el fin de obtener información del fenómeno.

La investigación no ha acabado

Por parte de los científicos, no dan el trabajo por finiquitado y creen necesario optimizar mucho más el diseño del fotoanodo. Con esto, la intención es mejorar  diseño del fotoanodo para mejorar el proceso de transferencia de carga que ocurre entre los átomos de cobalto y el sustrato de TiO2 .Logrando así mayores tasas de oxidación del agua. Aunque también nace la ventaja de mayores tasas de oxidación del agua. Es decir, los materiales empleados no dependen de oxidantes y/o reductores ricos en energía.

«Hasta ahora, los sistemas de fotooxidación de agua sensibilizados con cobalto habían estado compuestos de fotocatálisis a base de polvo, que funciona solo en presencia de un aceptor de electrones de sacrificio. Por lo tanto, el presente estudio también demuestra la separación de agua de luz visible sin reactivo de sacrificio utilizando un cobalto -sensibilizado material semiconductor (TiO2).» Finiquitaba el profesor.

cobalto

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