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La división del agua ha recibido recientemente mucha atención como un método económico y respetuoso con el medio ambiente para generar energía de hidrógeno. Los materiales con diferentes composiciones, tamaños e interfaces son importantes para el descubrimiento de compuestos adecuados para electrocatálisis y fotocatálisis.
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Estudio: Heterointerfaces a nanoescala para división de agua electrocatalítica y fotocatalítica. Fuente de la imagen: peterschreiber.media/Shutterstock.com
Las heterointerfaces tienen el potencial no solo de superar las desventajas de los materiales monofásicos, sino también de desarrollar nuevas capacidades para aplicaciones de división de agua.
Un artículo aceptado para su publicación en la revista Science and Technology of Advanced Materials describe el conocimiento fundamental y el progreso experimental en la ingeniería de heterointerfaz para preparar materiales para la división del agua mediante fotocatálisis y electrocatálisis.
Energía del Hidrógeno: ¿Por qué es Importante?
El uso cada vez mayor de combustibles fósiles ha llevado a importantes problemas energéticos y degradación ambiental. La energía sostenible y renovable es crucial para mantener ecosistemas limpios y habitables en la sociedad humana moderna.
El hidrógeno molecular es reconocido como una excelente fuente de energía a largo plazo. Debido a su alta densidad energética, se espera que la energía del hidrógeno transforme la infraestructura energética mundial en el futuro.
El hidrógeno se puede usar de manera efectiva como combustible gaseoso para reemplazar los combustibles fósiles y también se puede usar para ahorrar energía adicional mediante la integración de electricidad sostenible fluctuante en el sistema energético.
La mayor parte del hidrógeno se produce actualmente mediante la conversión de gas natural con vapor. Sin embargo, los beneficios del proceso son limitados debido a la formación de contaminantes peligrosos como el dióxido de carbono. Aunque la biomasa es un recurso de hidrógeno regenerativo, no puede satisfacer las necesidades de producción de hidrógeno a gran escala.
Para cubrir la demanda mundial de energía, se necesitan con urgencia procesos de producción de hidrógeno eficientes y ecológicamente compatibles.
Separación del agua para producir hidrógeno
La división del agua es una forma perfectamente renovable y eficiente de generar energía de hidrógeno porque las moléculas de hidrógeno se pueden formar al romper las moléculas de agua utilizando la luz solar o la energía eléctrica.
La división del agua por fotocatálisis y electrocatálisis ofrece las ventajas de una disponibilidad infinita de agua, viabilidad de producción a gran escala y alta selectividad de producción de hidrógeno. Sin embargo, el hidrógeno producido por fotocatálisis y electrocatálisis contribuye a menos del 5% de la producción total de hidrógeno.
Como resultado, facilitar la división del agua es una tarea difícil para la industrialización generalizada. La división del agua se puede dividir en dos interacciones diferentes: la reacción de evolución de hidrógeno (HER) y la reacción de evolución de oxígeno (OER). Sin embargo, la división del agua por fotocatálisis y electrocatálisis requiere superar un umbral de alta energía debido a la naturaleza extremadamente estable del agua.
Por lo tanto, el desarrollo de catalizadores con excelente reactividad, bajo gasto de energía y disponibilidad natural es crucial para la implementación generalizada de la tecnología de división del agua.
Heteroestructuras a nanoescala para aplicaciones de separación de agua
Recientemente, la construcción de electrocatalizadores con heterointerfaces mediante la integración de numerosos componentes activos ha atraído una atención considerable para varias tecnologías de división de agua, especialmente fotocatálisis y electrocatálisis.
Esencialmente, una heterounión es una estructura de capa intermedia formada por el apilamiento o ensamblaje de múltiples componentes. Las funcionalidades proporcionadas por los componentes separados dan como resultado las características únicas de las sustancias heteroestructuradas.
Las heteroestructuras pueden afectar significativamente la actividad catalítica intrínseca de los componentes individuales, lo que genera propiedades fisicoquímicas únicas para procesos específicos como la fotocatálisis y la electrocatálisis.
Aspectos destacados del estudio actual
En este artículo, los investigadores evaluaron estudios recientes sobre el concepto, las propiedades y el avance de las heterointerfaces en la división de agua electrocatalítica y fotocatalítica. Primero, se discutieron los conceptos básicos de la separación del agua por fotocatálisis y electrocatálisis y los principales parámetros que afectan la actividad catalítica.
A continuación, los investigadores describieron las propiedades esenciales de las heterointerfaces en función de su morfología y estructura eléctrica, y destacaron las funciones críticas de las heterouniones en la división del agua mediante electrocatálisis y fotocatálisis.
Según los investigadores, las heterointerfaces pueden ofrecer simetría de banda, aislamiento de carga espacial, barreras de energía de deposición baja, mayor actividad catalítica y estabilidad mejorada durante el proceso de división del agua.
Además, el proceso de división del agua se puede mejorar de manera eficiente para la generación rápida de energía de hidrógeno verde mediante la ingeniería estratégica de las heterointerfaces de los catalizadores.
perspectiva del futuro
A pesar de los avances significativos en las heterointerfaces para electrocatálisis y fotocatálisis, aún quedan problemas por resolver antes de que la tecnología de división de agua pueda industrializarse ampliamente.
Por ejemplo, la mayoría de las técnicas sintéticas disponibles hacen imposible el control preciso sobre la configuración de la heterointerfaz. Por lo tanto, se necesita urgentemente un método sintético universal y fácilmente controlable para heteroestructuras. Además, estudiar el proceso de reacción catalítica en la interfaz es un desafío debido a la complejidad de la unión y la imprevisibilidad de la estructura.
En consecuencia, se debe desarrollar una interfaz bien definida y un medio in situ para monitorear la actividad catalítica de las heteroestructuras para garantizar la amplia aplicabilidad del proceso de división del agua.
Relación
Yang, B. et al. (2022). Heterointerfaces a nanoescala para la división de agua electrocatalítica y fotocatalítica. Ciencia y tecnología de materiales avanzados.. Disponible en: https://doi.org/10.1080/14686996.2022.2125827
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