{"id":624,"date":"2015-12-21T17:22:40","date_gmt":"2015-12-21T22:22:40","guid":{"rendered":"http:\/\/www.journalnano.org\/?p=624"},"modified":"2016-12-08T11:02:46","modified_gmt":"2016-12-08T16:02:46","slug":"como-convertir-el-agua-en-combustibles-en-un-dia-soleado","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/www.journalnano.org\/?p=624","title":{"rendered":"Como convertir el agua en combustibles en un d\u00eda soleado"},"content":{"rendered":"<div id=\"fb-root\"><\/div>\r\n<script>(function(d, s, id) {\r\n  var js, fjs = d.getElementsByTagName(s)[0];\r\n  if (d.getElementById(id)) return;\r\n  js = d.createElement(s); js.id = id;\r\n  js.src = \"\/\/connect.facebook.net\/en_GB\/all.js#xfbml=1\";\r\n  fjs.parentNode.insertBefore(js, fjs);\r\n}(document, \"script\", \"facebook-jssdk\"));<\/script>\r\n<fb:share-button href=\"http:\/\/www.journalnano.org\/?p=624\" type=\"icon_link\"\r\nstyle=\"padding-top:0px;\r\npadding-right:0px;\r\npadding-bottom:0px;\r\npadding-left:0px;\r\nmargin-top:0px;\r\nmargin-right:0px;\r\nmargin-bottom:0px;\r\nmargin-left:0px;\r\n\">\r\n<\/fb:share-button><\/br><p><span style=\"font-size: 8pt; color: #000080;\">To cite this article use: Guti\u00e9rrez, O., M\u00e9ndez, M. Como convertir el agua en combustibles en un d\u00eda soleado.<em> J. Nano Sc. Tech<\/em>, 3(2015)36-43<\/span><\/p>\n<p><strong><span style=\"font-size: 18pt;\">Nanotecnolog\u00eda como herramienta para obtener<\/span><\/strong><\/p>\n<p><strong><span style=\"font-size: 18pt;\">materiales que conviertan luz en energ\u00eda qu\u00edmica<\/span><\/strong><\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p><strong><span style=\"font-size: 14pt;\">Oliver Y. Guti\u00e9rrez*<\/span><\/strong><\/p>\n<p><strong><span style=\"font-size: 14pt;\">Minerva M\u00e9ndez Mart\u00ednez<\/span><\/strong><\/p>\n<p>Technische Universit\u00e4t M\u00fcnchen, Department of Chemistry and Catalysis Research Center, Lichtenbergstrasse 4, D-84747 Garching, Germany<\/p>\n<p>*<em> oliver.y.gutierrez@gmail.com<\/em><\/p>\n<blockquote><p><em>Es obvio que el sol es la gran esperanza de la humanidad para resolver todo problema energ\u00e9tico y de contaminaci\u00f3n. \u00a0Lo que no es obvio es como transformar la energ\u00eda solar de forma controlada y eficiente en combustibles que impulsen nuestra tecnolog\u00eda. Este art\u00edculo describe como la naturaleza y la tecnolog\u00eda humana hacen uso de los mismos principios fisicoqu\u00edmicos y de estrategias similares para generar energ\u00eda qu\u00edmica y el\u00e9ctrica (fotos\u00edntesis, celdas solares). Tambi\u00e9n se describen las rutas para producir combustibles a partir de agua y di\u00f3xido de carbono usando fotocatalizadores, materiales que favorecen una reacci\u00f3n qu\u00edmica impulsada por luz. Al final se describe el potencial y desaf\u00edos de este nuevo campo de la ciencia llamado fotocat\u00e1lisis as\u00ed como su sinergia con la nanotecnolog\u00eda.<\/em><\/p><\/blockquote>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"font-size: 24pt;\">E<\/span>l planeta tierra recibe una enorme cantidad de energ\u00eda del sol todo el tiempo. Toda esa energ\u00eda es mucho mas de lo requerido para mantener todas las actividades y estilo de vida de las sociedades tecnol\u00f3gicas modernas. Para poner esto en perspectiva, la energ\u00eda solar absorbida por nuestro planeta en una hora equivale a la energ\u00eda utilizada en el mundo en un a\u00f1o [1]. Sin embargo, casi toda esta energ\u00eda es simplemente disipada en numerosos fen\u00f3menos de la naturaleza (viento, olas, calentamiento de la superficie, etc.). Solo una muy peque\u00f1a fracci\u00f3n de esa energ\u00eda es utilizada por el hombre directamente; por ejemplo en celdas solares, energ\u00eda e\u00f3lica y mareomotriz. Por ello, nuestra dependencia de combustibles f\u00f3siles, petr\u00f3leo, gas y carb\u00f3n, todav\u00eda domina la econom\u00eda global y en muchos casos el curso de la historia moderna. La extracci\u00f3n de estos combustibles f\u00f3siles y la generaci\u00f3n de energ\u00eda de ellos est\u00e1n inevitablemente asociadas con la destrucci\u00f3n de ecosistemas y la generaci\u00f3n de gases de invernadero.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">\u00bfPorque usamos combustible f\u00f3siles en lugar de la s\u00faper abundante energ\u00eda solar? El uso de combustibles f\u00f3siles es mucho m\u00e1s conveniente; al menos en nuestros d\u00edas. La utilizaci\u00f3n de energ\u00eda solar es no solo m\u00e1s\u00a0costosa\u00a0que la producci\u00f3n de combustibles de fuentes f\u00f3siles (mientras que la luz del sol es gratuita, la tecnolog\u00eda para usarla es costosa), sino que tambi\u00e9n es insuficiente para satisfacer el consumo de energ\u00eda del mundo. Simplemente, nosotros no sabemos c\u00f3mo usar esa enorme cantidad de energ\u00eda.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">En este punto, muchos lectores van a defender el hecho\u00a0que tenemos celdas solares cada vez m\u00e1s eficientes. As\u00ed es, tenemos esa tecnolog\u00eda. Esos rect\u00e1ngulos planos y negros en el techo de las casas son peque\u00f1as maravillas de la ciencia y tecnolog\u00eda que convierten luz solar directamente en electricidad. Esta tecnolog\u00eda est\u00e1 a\u00fan sujeta a debate porque mientras que la gente a favor opina que la \u00fanica verdadera desventaja es el costo de instalaci\u00f3n, la verdad es que nuestra demanda de energ\u00eda todav\u00eda no puede ser satisfecha por paneles solares. Pero esa es otra historia.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">La naturaleza aprendi\u00f3 a convertir luz solar en energ\u00eda qu\u00edmica desde hace millones de a\u00f1os. Y ese fen\u00f3meno es lo que nosotros llamamos fotos\u00edntesis. El t\u00e9rmino ahora suena trivial pero es el proceso responsable de que la vida sea como la conocemos. Escuchamos de fotos\u00edntesis durante la educaci\u00f3n primaria pero realmente no pensamos en su complejidad e importancia. Sin entrar en detalle, durante la fotos\u00edntesis las plantas toman di\u00f3xido de carbono y agua para convertirlos en compuestos mucho m\u00e1s complejos como azucares, pol\u00edmeros y toda clase de mol\u00e9culas org\u00e1nicas.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">\u00bfPodemos convertir energ\u00eda solar en energ\u00eda qu\u00edmica como las plantas lo hacen? Si se puede\u2026 en principio porque sabemos c\u00f3mo trabaja la fotos\u00edntesis. De hecho, el principio es el mismo que las celdas solares. Para explicar la similitud tenemos que empezar a usar terminolog\u00eda qu\u00edmica y explicar las peculiaridades de materiales conductores, semiconductores y presentar la teor\u00eda de bandas.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">La teor\u00eda de bandas dice que los materiales s\u00f3lidos tienen dos niveles de energ\u00eda,\u00a0llamados bandas,\u00a0 que est\u00e1n disponibles para ser ocupados por electrones de los \u00e1tomos que constituyen el material. Estos niveles de energ\u00eda son llamados bandas de valencia y de conducci\u00f3n. A temperaturas suficientemente bajas, todos los electrones se encuentran en la banda de valencia. Los electrones de esta banda son los responsables de los enlaces qu\u00edmicos, las fuerzas que mantienen a los \u00e1tomos juntos. Por otro lado, los electrones que logran pasar a la banda de conducci\u00f3n gracias a alguna excitaci\u00f3n energ\u00e9tica,\u00a0 pueden moverse f\u00e1cilmente de \u00e1tomo en \u00e1tomo a trav\u00e9s del material y por lo tanto son responsables de la conductividad el\u00e9ctrica.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">En los metales las bandas de valencia y de conducci\u00f3n est\u00e1n traslapadas lo que significa que los electrones de los enlaces qu\u00edmicos pueden ir a la banda de conducci\u00f3n \u201cgratis\u201d (hablando en t\u00e9rminos de energ\u00eda) y viajar a lo largo del material. Estos electrones errantes son observables en la escala macrosc\u00f3pica como corriente el\u00e9ctrica.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Al contrario de lo que pasa\u00a0en los metales, en los semiconductores las bandas de valencia y conducci\u00f3n est\u00e1n separados por una brecha energ\u00e9tica, o \u00a0banda prohibida. En este caso, los electrones no pueden simplemente pasar a la banda de conducci\u00f3n y pasear libremente. Es por ello que bajo condiciones normales, los materiales semiconductores no conducen electricidad. Afortunadamente para la naturaleza y para nosotros, todo lo que hace falta para alterar las condiciones normales es un estimulo externo, un empuj\u00f3n energ\u00e9tico que impulse o excite los electrones de la banda de valencia a la banda de conducci\u00f3n. \u00c1 este fen\u00f3meno es a quien debemos agradecer toda la tecnolog\u00eda basada en materiales semiconductores, incluyendo las celdas solares. En la Figura 1 se muestra una representaci\u00f3n cl\u00e1sica de las bandas energ\u00e9ticas en materiales semiconductores y conductores as\u00ed como el movimiento de electrones.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><a href=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-1-2.jpg\" rel=\"attachment wp-att-322\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"aligncenter wp-image-322 size-full\" src=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-1-2.jpg\" alt=\"Figura 1 (2)\" width=\"692\" height=\"391\" srcset=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-1-2.jpg 692w, http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-1-2-300x170.jpg 300w\" sizes=\"(max-width: 692px) 100vw, 692px\" \/><\/a><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"font-size: 8pt;\"><strong>Figura 1.<\/strong> Representaci\u00f3n de los niveles energ\u00e9ticos (bandas) de los electrones (e<sup>&#8211;<\/sup>) en dos clases de materiales. La banda de valencia es representada por los recuadros azules y la banda de conducci\u00f3n est\u00e1 representada por los recuadros naranja. A la izquierda se muestra la situaci\u00f3n en un material semiconductor donde las bandas se encuentran separadas; los electrones se encuentran en la banda de valencia pero pueden ser excitados hacia la banda de conducci\u00f3n usando un est\u00edmulo energ\u00e9tico (luz o calor). A la derecha se muestra la situaci\u00f3n en un material conductor donde las bandas traslapan (no existe una regi\u00f3n \u201cprohibida\u201d entre ellas); los electrones se mueven libremente entre las dos bandas.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"line-height: 1.5;\">Para el tema que estamos discutiendo, el estimulo que mueve a los electrones de la banda de valencia a la de conducci\u00f3n en un semiconductor es una part\u00edcula elemental de luz denominada<em>\u00a0fot\u00f3n\u00a0<\/em>el cual posee una\u00a0energ\u00eda <em>h\u03bd<\/em> (donde\u00a0<em>h <\/em>es la constante de Planck y <em>\u03bd<\/em> la frecuencia de la luz). \u00a0Los fotones son absorbidos por el semiconductor de la celda (usualmente silicio) y convertidos en la energ\u00eda necesaria para trasladar electrones a la banda de conducci\u00f3n. Cuando los electrones dan este salto, dejan \u201chuecos\u201d en la banda de valencia. Estos huecos son simplemente la ausencia de electrones, que\u00a0\u00a0los lectores \u00a0pueden imaginar como cargas positivas (recordar que los electrones tienen una carga negativa). \u00a0Estando en la banda de conducci\u00f3n, los electrones pueden viajar a trav\u00e9s de un circuito el\u00e9ctrico externo al semiconductor y recombinarse con los huecos produciendo as\u00ed la deseada corriente el\u00e9ctrica (la figura 2 muestra un esquema simplificado de este proceso).<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Regresando a la fotos\u00edntesis, el principio del fen\u00f3meno en una c\u00e9lula en una planta es similar a lo que pasa en una celda solar. Los fotones son absorbidos y convertidos en energ\u00eda que crea cargas.\u00a0Esto no sucede en materiales semiconductores s\u00f3lidos sino en tintes naturales. La belleza de la fotos\u00edntesis es que los electrones y huecos no recombinan sino que son separados eficientemente y usados para producir reacciones qu\u00edmicas. Despu\u00e9s de todo, el origen del enlace qu\u00edmico y la reactividad es precisamente la transferencia de electrones. De hecho las cargas el\u00e9ctricas son usadas para desencadenar una serie de reacciones en cadena que es responsable de la conversi\u00f3n de CO<sub>2<\/sub> y agua en mol\u00e9culas complejas. La Figura 2 muestra esquemas de la creaci\u00f3n y utilizaci\u00f3n de cargas en celdas solares y en fotos\u00edntesis.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><a href=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-2-1.jpg\" rel=\"attachment wp-att-323\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"aligncenter wp-image-323 size-full\" src=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-2-1.jpg\" alt=\"Figura 2 (1)\" width=\"800\" height=\"305\" srcset=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-2-1.jpg 800w, http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-2-1-300x114.jpg 300w, http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-2-1-768x293.jpg 768w\" sizes=\"(max-width: 800px) 100vw, 800px\" \/><\/a><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"font-size: 8pt;\"><strong>Figura 2.<\/strong> Representaci\u00f3n del flujo y utilizaci\u00f3n de cargas, electrones (e<sup>&#8211;<\/sup>) y huecos (h<sup>+<\/sup>), en una celda fotovoltaica y en el proceso de fotos\u00edntesis. En una celda fotovoltaica (izquierda) los fotones de la luz (de energ\u00eda <em>h<span style=\"font-family: symbol;\">\u03bd<\/span><\/em>) excitan los electrones de la banda de valencia (recuadro azul) hacia la de conducci\u00f3n (recuadro naranja) generando electrones m\u00f3viles y hoyos; los electrones viajan en un circuito exterior para producir electricidad y despu\u00e9s cerrar el circuito recombinando con los hoyos. En fotos\u00edntesis (derecha) los fotones generan cargas, las cuales son separadas eficientemente; los hoyos reaccionan con agua para producir ox\u00edgeno y otras especies, mientras que los electrones m\u00f3viles producen NADPH (nicotinamida adenina dinucle\u00f3tido fosfato) que es el compuesto que inicia el ciclo de transformaci\u00f3n de di\u00f3xido de carbono.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Preguntemos de nuevo \u00bfPodemos convertir energ\u00eda solar en energ\u00eda qu\u00edmica como las plantas lo hacen? Si se puede\u2026 en principio. Uno de los temas de boga y de mayor inter\u00e9s en qu\u00edmica y f\u00edsica es la conversi\u00f3n de CO<sub>2<\/sub> en compuestos complejos en la presencia de agua, lo que es llamado fotos\u00edntesis artificial.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">La estrategia para llevar a cabo la fotos\u00edntesis artificial es usar materiales semiconductores que puedan separar las cargas creadas por la absorci\u00f3n de fotones a diferentes lugares e iniciar reacciones qu\u00edmicas, como sucede en una planta. Esos materiales son llamados fotocatalizadores en el sentido de que aceleran reacciones qu\u00edmicas que involucran cargas creadas por la interacci\u00f3n con la luz. El dise\u00f1o de estos materiales requiere de una comprensi\u00f3n profunda de la naturaleza de la generaci\u00f3n de cargas y su transferencia a la superficie as\u00ed como de la naturaleza de los sitios activos donde las cargas reaccionan con las especies adsorbidas sobre el fotocatalizador.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Desafortunadamente, a\u00fan estamos lejos de ese entendimiento. Siendo la fotos\u00edntesis artificial uno de los santos griales de la ciencia moderna. Los estudios m\u00e1s confiables han reportado la producci\u00f3n de solo unas partes por mill\u00f3n de CO y peque\u00f1as mol\u00e9culas (formaldeh\u00eddo, tal vez metanol) a partir de CO<sub>2<\/sub> y agua usando luz ultravioleta (UV). Entendemos que para muchos lectores, dichos resultados no son nada promisorios. \u00a0Sin embargo, la conversi\u00f3n fotoqu\u00edmica de CO<sub>2<\/sub> debe ser investigada a nivel fundamental porque solo el entendimiento de la qu\u00edmica y f\u00edsica involucrada podr\u00e1n hacer a la fotos\u00edntesis artificial una soluci\u00f3n viable para los problemas energ\u00e9ticos de nuestra sociedad.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">\u00bfHay alguna esperanza de la fotoqu\u00edmica contribuya a convertir la luz\u00a0 en energ\u00eda qu\u00edmica (a corto plazo)?\u00a0 Si la hay. Un ejemplo de un material \u00fatil y confiable es el fotocatalizador m\u00e1s usado en el mundo: TiO<sub>2<\/sub> (di\u00f3xido de titanio). Este es un semiconductor que exhibe una actividad fotocatalitica muy alta (probado en innumerables estudios) y que adsorbe luz UV. La aplicaci\u00f3n m\u00e1s com\u00fan del TiO<sub>2<\/sub> como fotocatalizador es la degradaci\u00f3n de compuestos org\u00e1nicos con luz UV lo cual puede ser una estrategia exitosa para limpiar agua contaminada a trav\u00e9s de fotoxidaci\u00f3n.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">En este caso, degradaci\u00f3n significa que los compuestos org\u00e1nicos presentes en el agua son convertidos en mol\u00e9culas simples con la ayuda de radicales y otras especies qu\u00edmicas con carga el\u00e9ctrica que son creadas cuando la luz es absorbida por el TiO<sub>2<\/sub>. Los mecanismos de interacci\u00f3n entre radicales libres, especies con carga el\u00e9ctrica y reactivos es muy complejos y dependen de la estructura de las mol\u00e9culas que est\u00e1n siendo convertidas pero el objetivo es que los \u00fanicos productos de la fotoxidaci\u00f3n sean CO<sub>2<\/sub> y agua. La Figura 3 muestra una representaci\u00f3n esquem\u00e1tica de este fen\u00f3meno.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><a href=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-3-1.jpg\" rel=\"attachment wp-att-324\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"aligncenter wp-image-324 size-full\" src=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-3-1.jpg\" alt=\"Figura 3 (1)\" width=\"809\" height=\"545\" srcset=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-3-1.jpg 809w, http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-3-1-300x202.jpg 300w, http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-3-1-768x517.jpg 768w\" sizes=\"(max-width: 809px) 100vw, 809px\" \/><\/a><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"font-size: 8pt;\"><strong>Figura 3.<\/strong> Representaci\u00f3n de la degradaci\u00f3n fotocatal\u00edtica de compuestos org\u00e1nicos sobre materiales semiconductores. Los fotones (de energ\u00eda <em>h\u03bd<\/em>) generan cargas las cuales viajan a la superficie de la part\u00edcula. Los huecos (h<sup>+<\/sup>) reaccionan con los compuestos org\u00e1nicos y agua para producir especies con carga el\u00e9ctrica (P<sup>+<\/sup>, H<sup>+<\/sup>) y radicales libres (OH<sup>.<\/sup>). Los electrones (e<sup>&#8211;<\/sup>) tambi\u00e9n generan radicales libres. Todas estas especies qu\u00edmicas son altamente reactivas y pueden producir la degradaci\u00f3n completa de los compuestos org\u00e1nicos en di\u00f3xido de carbono (CO<sub>2<\/sub>) y agua.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"line-height: 1.5;\">\u00bfComo puede el tratamiento de agua contaminada producir energ\u00eda qu\u00edmica? Bueno, si el TiO<\/span><sub>2<\/sub><span style=\"line-height: 1.5;\"> es modificado, decorado con nanopart\u00edculas de digamos Pt (en t\u00e9rminos generales cualquier metal noble podr\u00eda hacer el trabajo), los electrones generados por la absorci\u00f3n de luz puede ser usados eficientemente para generar hidrogeno. Describamos el fen\u00f3meno. Un cristal de TiO<\/span><sub>2<\/sub><span style=\"line-height: 1.5;\"> adsorbe un fot\u00f3n de luz UV generando cargas. Los hoyos viajan a la superficie para \u201crobar\u201d electrones de mol\u00e9culas adsorbidas lo cual inicia la degradaci\u00f3n que conduce a CO<\/span><sub>2<\/sub><span style=\"line-height: 1.5;\">. Por otro lado, los electrones que alcanzan las nanopart\u00edculas de Pt saltan a la banda de conducci\u00f3n del metal noble (mucho m\u00e1s atractiva a los electrones que las bandas del semiconductor). El exceso de electrones en el metal reacciona con protones y producen hidrogeno molecular (la Figura 4 presenta este fen\u00f3meno). Y as\u00ed llegamos a otra opci\u00f3n para producir combustibles con fotocat\u00e1lisis: \u201creformaci\u00f3n\u201d de compuestos org\u00e1nicos. La idea es simple: mezclas de CO<\/span><sub>2<\/sub><span style=\"line-height: 1.5;\"> e H<\/span><sub>2<\/sub><span style=\"line-height: 1.5;\"> pueden ser producidas de soluciones acuosas de compuestos org\u00e1nicos usando fotocatalizadores eficientes. H<\/span><sub>2<\/sub><span style=\"line-height: 1.5;\"> es en s\u00ed mismo un compuesto important\u00edsimo para muchos procesos industriales y combustible en muchas tecnolog\u00edas modernas. Las mezclas de H<\/span><sub>2<\/sub><span style=\"line-height: 1.5;\"> y CO<\/span><sub>2<\/sub><span style=\"line-height: 1.5;\"> pueden ser combinadas con aire para ser introducidas en celdas de combustible y generar m\u00e1s energ\u00eda verde.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><a href=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-4-1.jpg\" rel=\"attachment wp-att-325\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"aligncenter wp-image-325 size-full\" src=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-4-1.jpg\" alt=\"Figura 4 (1)\" width=\"681\" height=\"549\" srcset=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-4-1.jpg 681w, http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-4-1-300x242.jpg 300w\" sizes=\"(max-width: 681px) 100vw, 681px\" \/><\/a><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"font-size: 8pt;\"><strong>Figura 4.<\/strong> Representaci\u00f3n de la degradaci\u00f3n fotocatalitica de compuestos org\u00e1nicos sobre materiales semiconductores decorados con nanopart\u00edculas met\u00e1licas. Los fotones (con energ\u00eda <em>h\u03bd<\/em>) generan cargas las cuales viajan a la superficie de la part\u00edcula. Los huecos (h<sup>+<\/sup>) reaccionan con los compuestos org\u00e1nicos para iniciar su degradaci\u00f3n hacia di\u00f3xido de carbono (CO<sub>2<\/sub>) y protones (H<sup>+<\/sup>). Los electrones son colectados por las nanopart\u00edculas met\u00e1licas y reaccionan con protones para producir hidr\u00f3geno (H<sub>2<\/sub>).<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">El conjunto de los procesos que fueron descritos para producir hidr\u00f3geno tambi\u00e9n es conocido como <em>fotos\u00edntesis artificial<\/em> y es investigada extensivamente con el nombre de divisi\u00f3n (fotoqu\u00edmica) del agua. En este proceso, como el nombre sugiere, el agua es separada en los elementos que la constituyen, hidrogeno y oxigeno. Este es otro proceso so\u00f1ado porque a partir de simple y ab\u00fandate agua, se podr\u00eda obtener hidr\u00f3geno con oxigeno como \u00fanico subproducto (dependiendo de la mol\u00e9culas org\u00e1nicas presentes en la reacci\u00f3n, le evoluci\u00f3n de O<sub>2<\/sub> puede suceder o no). A su vez, el hidr\u00f3geno y el ox\u00edgeno pueden ser alimentados a celdas de combustibles para generar electricidad produciendo otra vez agua como \u00fanico producto. El perfecto c\u00edrculo virtuoso (H<sub>2<\/sub>O + h\u03bd \u2192 H<sub>2<\/sub> + \u00bdO<sub>2<\/sub> \u2192 H<sub>2<\/sub>O + energ\u00eda). Sin embargo, las leyes\u00a0de la termodin\u00e1mica nos impiden efectuar cualquier proceso con 100% de eficiencia y por lo tanto cualquier proceso que busque llevar a cabo ese c\u00edrculo virtuoso es imposible a menos que sea capaz de adsorber much\u00edsima m\u00e1s energ\u00eda en forma de luz de la necesaria para efectuar la inter-conversion H<sub>2<\/sub>O \u21cc H<sub>2<\/sub> + \u00bdO<sub>2<\/sub> y luego disipar la energ\u00eda no utilizable. Desgraciadamente, el fotocatalizador m\u00e1s famoso del mundo, Pt sobre TiO<sub>2<\/sub>, est\u00e1 muy lejos de ser una fuente viable de mezclas de H<sub>2<\/sub> y O<sub>2<\/sub>. \u00a0Adem\u00e1s de la baja producci\u00f3n de H<sub>2<\/sub> de fotocatalizadores como Pt sobre TiO<sub>2 .\u00a0<\/sub>Las otras desventajas de este sistema son que requiere fotones UV, no muy abundantes en la luz solar, y la presencia de mol\u00e9culas org\u00e1nicas, siendo alcoholes los compuestos m\u00e1s ampliamente usados para producir hidr\u00f3geno.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">\u00bfEs posible dividir agua en la ausencia de otros compuestos usando luz visible? Si se puede\u2026 en principio. La divisi\u00f3n de agua con estas caracter\u00edsticas es llamada divisi\u00f3n total de agua. Este proceso es tan dif\u00edcil y complejo como la conversi\u00f3n fotocatal\u00edtica de CO<sub>2<\/sub> pero es menos demandante y sucede a mayores velocidades de reacci\u00f3n. Adem\u00e1s, existen algunos fotocatalizadores que son relativamente bien conocidos que dividen agua siendo excelentes ejemplos de la aplicaci\u00f3n de la nanotecnolog\u00eda. Estos fotocatalizadores deben ser descritos e investigados en detalle porque los sistemas fotocataliticos actuales son los precursores de los materiales m\u00e1s eficientes del futuro.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Cient\u00edficos de Jap\u00f3n son los que lideran el campo de la fotocat\u00e1lisis. Domen y sus colaboradores han sintetizado el material m\u00e1s eficiente para divisi\u00f3n total de agua reportado hasta la fecha. Este fotocatalizador es una combinaci\u00f3n de una soluci\u00f3n solida de nitruro de galio y oxido de zinc,\u00a0denominada GaN:ZnO\u00a0y\u00a0\u201cdecorada\u201d con nanopart\u00edculas de un co-catalizador a base de rodio (Rh). Un cocatalizador es un aditivo que, sin producir cargas en s\u00ed mismo, ayuda al fotocatalizador a producir H<sub>2<\/sub>. La s\u00edntesis del semiconductor GaN:ZnO es en s\u00ed misma un triunfo de la ingenier\u00eda de bandas de energ\u00eda. Mientras que los compuestos puros (GaN y ZnO) tienen una banda prohibida muy grande, la combinaci\u00f3n de ambos materiales en la soluci\u00f3n solida constituye un material amarillo que absorbe luz visible para generar cargas. El co-catalizador es un sistema complejo cuya naturaleza es a\u00fan objeto de debate. La imagen m\u00e1s aceptada del co-catalizador es una nanopart\u00edcula de Rh (por debajo a 5 nm) rodeada por una capa de oxido de cromo (Cr<sub>2<\/sub>O<sub>3<\/sub>). El modo que todos estos componentes trabajan para dividir agua es fascinante y ofrece un ejemplo perfecto de sinergia entre compuestos de diferente naturaleza.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Como se espera de un material semiconductor, GaN:ZnO absorbe fotones creando cargas. Los electrones se difunden a trav\u00e9s de la estructura cristalina del semiconductor. Algunos de ellos llegan a la superficie donde son \u201catrapados\u201d por las nanopart\u00edculas de Rh (recordar\u00a0que la banda de conducci\u00f3n del metal es m\u00e1s atractiva que la del semiconductor). El exceso de electrones en el metal reacciona con protones en disoluci\u00f3n para producir hidrogeno. A su vez, los huecos que alcanzan la superficie del semiconductor reaccionan con agua para producir ox\u00edgeno. En condiciones normales, las nanopart\u00edculas del metal noble (Rh en este caso) catalizar\u00eda inmediatamente la reacci\u00f3n entre hidrogeno y ox\u00edgeno para dar agua y la velocidad total de divisi\u00f3n de agua ser\u00eda cero. En el fotocalizador que estamos discutiendo, la capa de \u00f3xido de cromo sirve como membrana selectiva. Permite la difusi\u00f3n de hidr\u00f3geno producido en la superficie del centro de Rh hacia el medio de la reacci\u00f3n pero no permite que el ox\u00edgeno (O<sub>2<\/sub>, una mol\u00e9cula mucho m\u00e1s grande que H<sub>2<\/sub>) llegue al Rh y reaccione para producir agua. La Figura 5 muestra un esquema de este proceso.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><a href=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-5-1.jpg\" rel=\"attachment wp-att-327\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"aligncenter wp-image-327 size-full\" src=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-5-1.jpg\" alt=\"Figura 5 (1)\" width=\"800\" height=\"383\" srcset=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-5-1.jpg 800w, http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-5-1-300x144.jpg 300w, http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-5-1-768x368.jpg 768w, http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-5-1-670x320.jpg 670w\" sizes=\"(max-width: 800px) 100vw, 800px\" \/><\/a><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"font-size: 8pt;\"><strong>Figura 5.<\/strong> Representaci\u00f3n de la divisi\u00f3n total de agua sobre materiales fotocataliticos complejos. Los fotones (h\u03bd) generan cargas las cuales viajan a la superficie de la part\u00edcula. Los huecos (h<sup>+<\/sup>) reaccionan con agua para producir ox\u00edgeno y protones (H<sup>+<\/sup>) mientras que los electrones (e<sup>&#8211;<\/sup>) son colectados por las nanopart\u00edculas met\u00e1licas (izquierda). Los protones viajan a trav\u00e9s de la capa cer\u00e1mica que rodea a las nanopart\u00edculas met\u00e1licas y reaccionan con los electrones para producir el hidr\u00f3geno libre. Por el contrario, el ox\u00edgeno producido por la reacci\u00f3n con los hoyos no puede cruzar la membrana cer\u00e1mica y alcanzar la superficie nanopart\u00edcula met\u00e1lica.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">En resumen, el sistema que es llamado Rh@Cr<sub>2<\/sub>O<sub>3<\/sub>\/GaN:ZnO consiste de un semiconductor que genera carga, un cocatalizador (Rh) que atrapa los electrones y ofrece la superficie que se requiere para formar H<sub>2<\/sub>, y una barrera cer\u00e1mica (Cr<sub>2<\/sub>O) que evita que el H<sub>2<\/sub> y el O<sub>2<\/sub> generados se encuentren en la superficie reactiva de Rh (la Figura 6 muestra una imagen representativa de este material tomada por microscopia electr\u00f3nica). En este punto es cuando nos gustar\u00eda enfatizar la importancia de la nanotecnolog\u00eda para el dise\u00f1o y preparaci\u00f3n de nuevos fotocatalizadores. Existen muchos m\u00e9todos en nanotecnolog\u00eda que permiten la s\u00edntesis de nanoestructuras bien definidas como la geometr\u00eda de centro de Rh y recubrimiento de Cr<sub>2<\/sub>O<sub>3<\/sub> que se acaba de describir. Tambi\u00e9n la porosidad del material cer\u00e1mico puede ser modificada con alto grado de control (vea el ejemplo de las zeolitas descrito en el primer n\u00famero de esta revista).<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><a href=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-6-1.jpg\" rel=\"attachment wp-att-328\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"aligncenter wp-image-328 size-full\" src=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-6-1.jpg\" alt=\"Figura 6 (1)\" width=\"461\" height=\"382\" srcset=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-6-1.jpg 461w, http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-6-1-300x249.jpg 300w\" sizes=\"(max-width: 461px) 100vw, 461px\" \/><\/a><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"font-size: 8pt;\"><strong>Figura 6.<\/strong> Imagen representativa del material Rh@Cr<sub>2<\/sub>O<sub>3<\/sub>\/GaN:ZnO. Esta imagen de microscopia electr\u00f3nica muestra como la soluci\u00f3n solida de nitruro de galio y \u00f3xido de zinc (GaN:ZnO) sirve de soporte para nanopart\u00edculas de rodio (Rh) que est\u00e1n recubiertas por una capa de \u00f3xido de cromo. Imagen adaptada de K. Maeda, K. Teramura, D. Lu, N. Saito, Y. Inoue, K. Domen: Noble-Metal\/Cr<sub>2<\/sub>O<sub>3<\/sub> Core\/Shell Nanoparticles as a Cocatalyst for Photocatalytic Overall Water Splitting. Angewandte Chemie International Edition, 2006, 45, 7806-7809. Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH &amp; Co. KGaA. Reproducida con permiso.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"line-height: 1.5;\">Si la nanotecnolog\u00eda ofrece las herramientas para crear fotocatalizadores, \u00bfporque existe tan poco avance en la eficiencia de los fotocatalizadores? Porque a diferencia de muchos otros campos en cat\u00e1lisis, la fotocat\u00e1lisis est\u00e1 en una etapa muy temprana de desarrollo. Existen muchas cosas que no sabemos acerca de los fen\u00f3menos involucrados en la transformaci\u00f3n de luz a energ\u00eda qu\u00edmica. Por ejemplo, \u00bfCu\u00e1les son los procesos de transferencia de cargas desde el interior del cristal hacia la superficie? \u00bfD\u00f3nde est\u00e1n y\u00a0 como son los sitios activos para la formaci\u00f3n de ox\u00edgeno? \u00bfCu\u00e1l es el estado de los componentes del fotocatalizador durante iluminaci\u00f3n? \u00bfC\u00f3mo debe ser la interface entre semiconductor y cocatalizador para maximizar la transferencia de electrones? Necesitamos saber con detalle todo esto y m\u00e1s para poder avanzar hacia el dise\u00f1o racional y seguro de celdas fotocatal\u00edticas.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">En el laboratorio, el procedimiento experimental para probar catalizadores en, por ejemplo, divisi\u00f3n de agua consiste simplemente en poner el fotocatalizador (usualmente en polvo) en agua a temperatura y presi\u00f3n ambiente en un contenedor transparente (elegantemente llamado fotoreactor). Entonces una l\u00e1mpara es encendida sobre el contenedor y un compresor mueve la atmosfera que contiene los productos sobre el l\u00edquido para an\u00e1lisis o recolecci\u00f3n. Esta es una configuraci\u00f3n simple y permite probar diversos fotocatalizadores relativamente r\u00e1pido. La Figura 7 muestra una posible variante de un fotoreactor en un laboratorio donde adem\u00e1s de las partes fundamentales tambi\u00e9n se observan otros aditamentos necesarios; por ejemplo, filtro para eliminar de radiaci\u00f3n infra roja (que calentar\u00eda la suspensi\u00f3n), un condensador para mantener el agua en el contenedor, parrilla de agitaci\u00f3n. Existen muchas otras variantes donde la l\u00e1mpara es colocada a un lado del contenedor o es inmersa en el contenedor para aprovechar al m\u00e1ximo la radiaci\u00f3n.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><a href=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-7-1.jpg\" rel=\"attachment wp-att-329\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"wp-image-329 size-medium alignleft\" src=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-7-1-300x300.jpg\" alt=\"Figura 7 (1)\" width=\"300\" height=\"300\" srcset=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-7-1-300x300.jpg 300w, http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-7-1-150x150.jpg 150w, http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-7-1-768x770.jpg 768w, http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-7-1-1022x1024.jpg 1022w, http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Figura-7-1.jpg 1024w\" sizes=\"(max-width: 300px) 100vw, 300px\" \/><\/a><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><strong>F<\/strong><span style=\"font-size: 8pt;\"><strong>igura 7<\/strong>. Fotograf\u00eda de un fotocatalizador utilizado en un laboratorio de investigaci\u00f3n. Los elementos que se pueden observar son el recipiente (cubierto con papel de aluminio en este caso) (A); filtro de radiaci\u00f3n infra roja (B); l\u00e1mpara (C); condensador (D); parrilla de agitaci\u00f3n (E); y diversas l\u00edneas para conducir los gases.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Sin embargo este dise\u00f1o es solo para investigaci\u00f3n porque la producci\u00f3n de oxigeno e hidr\u00f3geno en un solo compartimento crear\u00eda problemas de separaci\u00f3n. Existen otros dise\u00f1os que podr\u00edan ser aplicados m\u00e1s f\u00e1cilmente a mayor escala como la configuraci\u00f3n en electrodos donde el semiconductor y el cocatalizador est\u00e1n separados por un circuito que conduce los electrones. Con esta configuraci\u00f3n, el ox\u00edgeno y el hidr\u00f3geno se podr\u00edan producir en compartimentos separados facilitando su separaci\u00f3n. La Figura 8 compara las dos geometr\u00edas de fotoreactores que han sido descritas. Teniendo estas im\u00e1genes presentes y considerando que dicho sistema es f\u00e1cilmente escalable, \u00bfpodemos imaginar un futuro donde se construyan plantas solares donde d\u00eda con d\u00eda hidr\u00f3geno sea producido del agua con ox\u00edgeno como \u00fanico desecho? Si se puede.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><a href=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Screen-shot-2016-01-12-at-6.33.46-PM.png\" rel=\"attachment wp-att-765\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"aligncenter wp-image-765 size-full\" src=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Screen-shot-2016-01-12-at-6.33.46-PM.png\" alt=\"Screen shot 2016-01-12 at 6.33.46 PM\" width=\"1015\" height=\"332\" srcset=\"http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Screen-shot-2016-01-12-at-6.33.46-PM.png 1015w, http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Screen-shot-2016-01-12-at-6.33.46-PM-300x98.png 300w, http:\/\/www.journalnano.org\/wp-content\/uploads\/2015\/12\/Screen-shot-2016-01-12-at-6.33.46-PM-768x251.png 768w\" sizes=\"(max-width: 1015px) 100vw, 1015px\" \/><\/a><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"font-size: 8pt;\"><strong>Figura 8.<\/strong> Representaci\u00f3n de dos posibles configuraciones para la divisi\u00f3n fotocatal\u00edtica de agua. A la izquierda se muestra una suspensi\u00f3n del fotocatalizador en agua donde las reacciones que producen hidr\u00f3geno y ox\u00edgeno se llevan a cabo en diferentes sitios en la misma part\u00edcula (y por lo tanto en el mismo recipiente). A la derecha se muestra una celda fotocatal\u00edtica donde la absorci\u00f3n de fotones (h\u03bd) y generaci\u00f3n de cargas se lleva a cabo en un compartimento donde los hoyos son usados para producir ox\u00edgeno y protones (H<sup>+<\/sup>). Los electrones (e<sup>&#8211;<\/sup>) son conducidos a trav\u00e9s de un circuito externo, generando electricidad\u00a0\u00a0e introducidos en otro compartimento donde reaccionan con protones para producir hidr\u00f3geno. Los protones son conducidos de un compartimento a otro a trav\u00e9s de un puente conductor.<\/span><\/p>\n<p><strong style=\"font-size: 16px; line-height: 1.5;\">Referencias<\/strong><\/p>\n<p class=\"p1\">[1] O. Morton, Nature 443, 19(2006).<\/p>\n<p class=\"p2\">[2] K. Maeda, K. Teramura, D. Lu, N. Saito, Y. Inoue, K. Domen, Angewandte Chemie International Edition, 45, 7806 (2006).<\/p>\n<div id=\"fb-root\"><\/div>\r\n<script>(function(d, s, id) {\r\n  var js, fjs = d.getElementsByTagName(s)[0];\r\n  if (d.getElementById(id)) return;\r\n  js = d.createElement(s); js.id = id;\r\n  js.src = \"\/\/connect.facebook.net\/en_GB\/all.js#xfbml=1\";\r\n  fjs.parentNode.insertBefore(js, fjs);\r\n}(document, \"script\", \"facebook-jssdk\"));<\/script>\r\n <fb:comments href=\"http:\/\/www.journalnano.org\/?p=624\" font=\"arial\" num_posts=\"5\" width=\"640\" height=\"600\" colorscheme=\"light\"  style=\"background:#F0F0F0;padding-top:0px;\r\npadding-right:0px;\r\npadding-bottom:0px;\r\npadding-left:0px;\r\nmargin-top:0px;\r\nmargin-right:0px;\r\nmargin-bottom:0px;\r\nmargin-left:0px;\r\n\"><\/fb:comments>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>To cite this article use: Guti\u00e9rrez, O., M\u00e9ndez, M. 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