Nanomateriales fotocatalíticos, la alternativa para la generación de energía y la purificación de agua y aire

Ávila, 28 de agosto de 2020. En la actualidad, ha aumentado el interés por los fotocatalizadores basados en semiconductores. Por ello, David G. Calatayud, profesor de la Universidad Católica de Ávila e investigador contratado del Instituto de cerámica y vidrio del CSIC, ha analizado en un breve estudio lo que supone esta novedad en la actualidad ya que se trataría de un modo sencillo de convertir la energía lumínica en energía química.

Las energías renovables padecen serios problemas en cuanto a su capacidad de ser gestionadas de acuerdo con las exigencias de las actuales redes eléctricas inteligentes, asociadas con la eficiencia energética, el control de la oferta-demanda, o la gestión de las infraestructuras energéticas. El mercado energético, por tanto, demanda una mejora en los sistemas de almacenamiento y gestión de la energía, que permitan un control estricto de su inyección en las redes eléctricas, tal como ha apuntado David G. Calatayud.

Junto a todo esto, la contaminación de agua y aire, especialmente en zonas urbanas, constituye uno de los principales problemas a los que se enfrenta la humanidad actualmente. Por tanto, en palabras del profesor, el desarrollo de nuevos métodos de purificación y descontaminación más eficientes y asequibles constituye un objetivo esencial para el avance sostenible de sociedad.

De entre la gran variedad de alternativas para la generación de energía renovable y limpia, y la descontaminación del aire y el agua, los fotocatalizadores basados en semiconductores han surgido como la propuesta tecnológica más prometedora, debido principalmente a que representan un modo sencillo de utilizar la energía del sol o de la iluminación artificial, las cuales están disponibles en casi cualquier parte del mundo.

Según explica Calatayud, la descomposición fotocatalítica del agua a temperatura ambiente mediante el empleo de radiación solar y de fotocatalizadores de bajo coste y eficientes, es el paradigma que define al hidrógeno como un vector energético viable. Y es que, tal como indica el profesor, la posibilidad de diseñar sistemas sencillos de irradiación solar abre la puerta al diseño de plantas industriales que puedan alcanzar rápidamente competitividad comercial en la producción de hidrógeno como almacén de energía. El H₂ como vector energético promete abrir una nueva era, un sistema económico basado en la gestión del hidrógeno.

Existen dos posibles alternativas para la producción limpia y eficiente de H₂: los procesos convencionales de electrólisis alimentados mediante energías renovables; y  la descomposición fotocatalítica de sustancias hidrogenadas. Esta última vía constituye la opción más económica y mejor adaptada al procesado de grandes cantidades para la producción industrial masiva de H₂. En este sentido, la producción de hidrógeno mediante la ruptura fotocatalítica de la molécula de agua constituye un método sostenible para producir energía, según expone Calatayud.

Por otro lado, el profesor señala que la fotocatálisis empleando la radiación solar, ha demostrado un gran potencial en la desinfección y descontaminación tanto de aguas residuales como del aire, constituyendo un proceso ambientalmente benigno y sostenible, siendo además capaz de eliminar tanto microorganismos como compuestos orgánicos persistentes, con una producción mínima de lodos u otros subproductos, cuya eliminación supone un problema añadido en las técnicas de tratamiento convencionales. Sin embargo estos procesos, no han alcanzado viabilidad industrial debido a dos problemas fundamentales: la falta de fotocatalizadores económicos, eficientes y fáciles de producir a gran escala, y la dificultad para recuperar el catalizador del medio al finalizar el proceso.

Pero los fotocatalizadores basados en semiconductores también han suscitado mucho interés desde un punto de vista tecnológico, tal como ha indicado el profesor, ya que poseen unas propiedades físico-químicas únicas que les confieren aplicaciones en una gran variedad de campos: descontaminación, generación de hidrógeno o conversión de la energía solar, baterías de litio, celdas solares, sensores o componentes electrónicos. Estos materiales no solo presentan unas propiedades únicas sino que además estas pueden modularse para adecuarlas a una determinada aplicación, mediante el control de la morfología, composición y estructura del material.

Desde el punto de vista fotoquímico, continúa explicando Calatayud, la irradiación de estos materiales con luz da lugar a un proceso fotocatalítico que inicia o acelera reacciones de reducción u oxidación de las especies cercanas a la superficie del material. La energía se termina empleando tanto para superar la energía de activación, es decir la energía necesaria para iniciar la reacción a catalizar, como para ser convertida en energía química quedando almacenada en los productos obtenidos tras la reacción de fotocatálisis.

La aparición de la nanotecnología ha dado lugar a un crecimiento exponencial de la investigación en semiconductores fotoactivos, consecuencia de ello, es la aparición de nuevos fotocatalizadores.

Esto se debe a que los nanomateriales presentan propiedades únicas que los materiales de mayores dimensiones no presentan, como: gran superficie específica, mayor reactividad, distintos estados superficiales, etc. Propiedades que resultan muy beneficiosas para la actividad fotocatalítica, y que han dado lugar a importante avances. Sin embargo su eficiencia fotocatalítica, sigue siendo muy pobre. Por otro lado, la estabilidad y costes de producción de dichos materiales también deben ser considerados. De este modo, uno de los principales retos a los cuales se enfrenta la investigación actual de fotocatalizadores basados en semiconductores es el desarrollo de nuevos nanomateriales que además de poseer las propiedades adecuadas, sean eficientes, estables, abundantes y de bajo coste.

Por tanto, concluye Calatayud, la fotocatálisis representa una perspectiva muy prometedora para la consecución de una sociedad sostenible. Sin embargo, desde el punto de vista de su producción industrial y comercialización, todavía quedan muchos desafíos por superar tanto en el área de la ciencia de materiales como de la ingeniería.