Un equipo codirigido por investigadores de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong descubrió cómo desencadenar una reacción catalítica piroeléctrica significativamente más rápida y eficiente, que tiene el potencial de convertir las fluctuaciones de la temperatura ambiental en energía química limpia, como el hidrógeno .
Hasta ahora, la pirocatálisis se ha considerado un método ineficiente en comparación con estrategias de catálisis más comunes, como la fotocatálisis. Esto se debe a los lentos cambios de temperatura en el entorno ambiental.
Sin embargo, el nuevo estudio desafió esta noción al emplear fuentes de calor plasmónicas localizadas para calentar rápida y eficientemente el material pirocatalítico y permitir que se enfríe. Los hallazgos abren nuevas vías para la catálisis eficiente para aplicaciones biológicas, tratamiento de contaminantes y producción de energía limpia.
En detalle, la nueva estrategia combina materiales piroeléctricos y el efecto termoplasmónico localizado de nanomateriales de metales nobles.
Las nanoestructuras plasmónicas, que soportan la oscilación colectiva de electrones libres, pueden absorber luz y convertirla rápidamente en calor. Su tamaño a nanoescala permite cambios de temperatura rápidos pero efectivos dentro de un volumen confinado, sin una pérdida significativa de calor hacia el entorno circundante. En consecuencia, el calor localizado generado por las nanoestructuras termoplasmónicas se puede ajustar fácilmente y activar o desactivar mediante irradiación de luz externa en un intervalo de tiempo ultracorto.
En una serie de experimentos, el equipo seleccionó un material pirocatalítico típico, llamado nanopartículas de titanato de bario (BaTiO3). Las nanopartículas de BaTiO3 similares a corales se decoraron con nanopartículas de oro como fuentes de calor plasmónico; las nanopartículas de oro pueden convertir los fotones directamente de un láser pulsado en calor.
Los resultados del experimento demostraron que las nanopartículas de oro actúan como una fuente de calor localizada rápida, dinámica y controlable sin elevar la temperatura ambiente, lo que aumenta de manera destacada y eficiente la velocidad de reacción pirocatalítica general de las nanopartículas de BaTiO3.
nanopartículas de oro
A través de esta estrategia, el equipo logró una alta tasa de producción de hidrógeno pirocatalítico, lo que aceleró el desarrollo de la aplicación práctica de la pirocatálisis.
Los nanorreactores piroeléctricos plasmónicos demostraron una tasa acelerada de producción de hidrógeno pirocatalítico de aproximadamente 133,1 ± 4,4 µmol·g-1·h-1 a través del calentamiento y enfriamiento local termoplasmónico bajo la irradiación de un láser de nanosegundos a la longitud de onda de 532 nm.
Además, la tasa de repetición del láser de nanosegundos utilizado en el experimento fue de 10 Hz, lo que significó que se irradiaron 10 pulsos de luz sobre el catalizador por segundo para lograr 10 ciclos de calentamiento y enfriamiento. Esto implica que al aumentar la tasa de repetición del pulso láser, el rendimiento catalítico piroeléctrico podría mejorarse en el futuro.
El equipo de investigación cree que sus resultados han ofrecido un nuevo enfoque para mejorar la pirocatálisis mediante el diseño de un innovador sistema compuesto piroeléctrico con otros materiales fototérmicos.
Se espera que este progreso sustancial haga más factible la futura aplicación de la pirocatálisis en el tratamiento de contaminantes y la producción de energía limpia .
Fuente: mining