¿Cómo convertir TiO2 en un innovador material foto-activo a la luz visible?
Investigación fundamental y aplicada se estrechan los lazos utilizando las instalaciones computacionales de CESGA, el laboratorio brasileño de Sincrotón LNSN, y la técnica especial de síntesis de agregados de átomos metálicos subnanométricos de la empresa NANOGAP. María Pilar de Lara-Castells (investigadora del CSIC, grupo AbinitSim) y sus colaboradores de la Universidad de Santiago de Compostela (grupo de Arturo M. López-Quintela), la Universidad de Tecnología de Graz (Andreas W. Hauser), y la Universidad Nacional de la Plata (grupo de Félix G. Requejo) abordan la pregunta de cómo un tratamiento especial de superficies puede cambiar las propiedades ópticas del dióxido de titanio [1]. Este material semiconductor es conocido por muchos como un pigmento blanco brillante y se emplea en numerorosas aplicaciones que van desde la pintura hasta los filtros solares e incluso la pasta de dientes.
El dióxido de titanio (TiO2) es en efecto uno de los materiales más populares en aplicaciones fotocatalíticas y de conversión de la energía solar debido a su abundancia, no toxicidad, y estabilidad química. Sin embargo, su gran ancho de banda (entre 3 y 3.2 eV) hace necesaria la absorción de radiación ultravioleta para desencadenar reacciones fotoinducidas. Aunque esta característica se aprovecha a medudo en productos para el cuidado de la piel, lo cierto es que limita severamente las aplicaciones del TiO2 ya que la parte UV comprende sólo el 5-8% de la energía solar. Como consecuencia, la tasa de formación de productos de reacción por fotón incidente es típicamente inferior al 10% en fotocatalizadores basados en TiO2. Este hecho dio lugar a las siguientes preguntas fundamentales: ¿ pueden mejorarse de alguna manera las propiedades ópticas del TiO2 para aprovechar mejor la energía solar? y ¿ existe la posibilidad de dirigir esta energía hacia el desencadenamiento de reacciones químicas de interés?
Para responder a estas preguntas, María Pilar de Lara-Castells y sus colaboradores [1] proponen el empleo de agregados atómicos de cobre de tamaño subnanométrico y demuestran cómo estos agregados cuánticos pueden aumentar en órdenes de magnitud y extender la absorción desde el rango de alta energía, el espectro UV, hacia el visible, donde el sol tiene su máxima producción de energía (ver figura). Como consecuencia, puede obtenerse mucha más energía de la luz solar, y el dióxido de titanio recubierto almacena esta energía temporalmente en forma de pares de carga (electrones y huecos), pudiendo ser éstos los perfectos desencadenantes de una posterior reactividad molecular foto-inducida.
Este resultado [1] supone un gran paso hacia la el aprovechamiento de la energía solar en reactividad en superficies. En este momento, se está trabajando en la vinculación del resultado con reactividad fotocatálitica relevante. Estos nuevos fotocatalizadores, que imitan los procesos de fotosíntesis y se activan con la luz solar, ofrecen nuevas estrategias para eliminar el CO2 y otros contaminantes comunes en la atmósfera a través de procesos de oxidación activados por la energía solar.
María Pilar de Lara-Castells nos cuenta cómo se llegó a este resultado y cómo se aprovecharon los recursos computacionales de CESGA: Es importante destacar que todos los recursos computacionales empleados fueron provistos por CESGA y que considero el trabajo cómo un caso muy ilustrativo de la capacidad predictiva de las modelizaciones abinitio multiescala de nuevos materiales nanoestructurados, habiendo sido los resultados teóricos corroborados mediante las medidas experimentales. También considero en gran medida el resultado como un producto de la actividad de “networking” en uno de los grupos de trabajo de una acción COST europea que he liderado durante cuatro años (acción COST CM1405 “Molecules in Motion”). Esto es así porque fue en ese contexto donde surgió la colaboración de mi grupo AbinitSim tanto con la Universidad de Santiago de Compostela y NANOGAP como con la Universidad de Tecnología de Graz.
Figure 1: Andreas W. Hauser (izquierda), Mar´ıa Pilar de Lara-Castells (centro), y Arturo M. López-Quintela (derecha). Foto tomada durante el segundo encuentro internacional “MOLIM WG3: Ab-Initio Modelling of Molecular Processes Under Confinement” (Diciembre de 2018).
[1]: “Increasing the optical response of TiO2 and extending it into the visible through surface activation with highly stable Cu5 clusters”. M. P. de Lara-Castells, A. W. Hauser, J. M. Ramallo-López, D. Buceta, L. J. Giovanetti, M. A. López-Quintela, F. G. Requejo; Journal of Materials Chemistry A 7 (2019) 7489. DOI: 10.1039/C9TA00994A
