Descubren el verdadero papel de los cocatalizadores metálicos en la fotocatálisis para producir hidrógeno

MadridLiderados por Toshiki Sugimoto, los investigadores emplearon espectroscopia FT-IR operando con un interferómetro de Michelson para observar el comportamiento de los fotocatalizadores durante la producción de hidrógeno. Descubrieron que los electrones atrapados en los bordes de los cocatalizadores desempeñan un papel crucial en el proceso, en lugar de los electrones libres en las partes metálicas de los cocatalizadores. Este hallazgo desafía las suposiciones previas sobre el funcionamiento de la fotocatálisis.

Desde que los científicos descubrieron la evolución fotoelectroquímica del hidrógeno en 1972, han estado estudiando la fotocatálisis heterogénea. Para crear mejores catalizadores para la producción de hidrógeno, es crucial comprender las especies reactivas de electrones y los sitios activos durante las reacciones de reducción fotocatalítica. No obstante, es difícil detectar y aislar las señales de estos electrones reactivos fotoexcitados. Las señales fuertes de fondo de electrones no reactivos, excitados por el calor, a menudo ocultan las señales más débiles de los electrones reactivos.

Investigadores del Instituto de Ciencia Molecular y de SOKENDAI lograron un avance significativo. Utilizando un interferómetro de Michelson, consiguieron sincronizar las reacciones excitadas por la luz en fotocatalizadores, lo que les permitió ignorar las señales de electrones no reactivos. Esto les posibilitó observar claramente a los electrones que contribuían a la producción de hidrógeno.

Principales descubrimientos incluyen:

• Los cocatalizadores metálicos no actúan como sumideros para electrones fotogenerados reactivos.
• Los electrones libres en cocatalizadores metálicos no participan directamente en la reacción de reducción.
• Los estados superficiales inducidos por metales en semiconductores, especialmente los periféricos, son esenciales para la evolución fotocatalítica del hidrógeno.

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Esto cambia nuestra comprensión del papel de los cocatalizadores metálicos en la fotocatálisis y ofrece una nueva manera de diseñar interfaces metal/óxido para producir hidrógeno sin necesidad de calor. Los beneficios potenciales son significativos. Podría llevar a mejores diseños de catalizadores que aprovechen la recién reconocida importancia de los estados en-gap y superficiales. Además, este nuevo método de espectroscopía infrarroja, utilizado durante las reacciones, podría aplicarse a otros sistemas alimentados por luz o electricidad.

Investigaciones recientes en fotocatálisis destacan la relevancia de las propiedades superficiales y las estructuras electrónicas locales en lugar de enfocarse únicamente en las propiedades generales del material. Los estados inducidos por metales en la superficie de los semiconductores pueden influir significativamente en cómo se llevan a cabo las reacciones y su eficiencia. Este enfoque detallado puede contribuir a crear catalizadores más precisos y eficaces para la energía sostenible.

Utilizar la espectroscopía FT-IR sincronizada podría revolucionar el estudio y comprensión de diversos procesos catalíticos. Esto permitiría identificar factores que mejoran el rendimiento de los catalizadores, contribuyendo al desarrollo de soluciones energéticas ecológicas para el futuro.

Los hallazgos resaltan un avance hacia un control más detallado y preciso de las superficies catalíticas. Este progreso acerca a la ciencia a la posibilidad de utilizar el hidrógeno como una fuente de energía útil y ecológica.