Como converter TiO2 nun innovador material foto-activo á luz visible?
Investigación fundamental e aplicada estréitanse os lazos utilizando as instalacións computacionales de CESGA, o laboratorio brasileiro deSincrotón LNSN , e a técnica especial de siı ntesis de agregados de átomos metálicos subnanométricos da empresa NANOGAP. María Pilar de Lara-Castells (investigadora do CSIC, grupo AbinitSim) e os seus colaboradores da Universidade de Santiago de Compostela (grupo de Arturo M. López-Quintela), a Universidade de Tecnoloxía de Graz (Andreas W. Hauser), e a Universidade Nacional da Prata (grupo de Félix G. Requejo) abordan a pregunta de como un tratamento especial de superfi cies pode cambiar as propiedades ópticas do dióxido de titanio [1]. Este material semiconductor é coñecido por moitos como un pigmento branco brillante e emprégase en numerorosas aplicacións que van desde a pintura ata os filtros solares e mesmo a pasta de dentes.
O dióxido de titanio ( TiO2) é en efecto un dos materiais máis populares en aplicacións fotocatalíticas e de conversión da enerxía solar debido á súa abundancia, non toxicidade, e estabilidade química. Con todo, o seu gran ancho de banda (entre 3 e 3.2 eV) fai necesaria a absorción de radiación ultravioleta para desencadear reaccións fotoinducidas. Aínda que esta característica aprovéitase a medudo en produtos para o coidado da pel, o certo é que limita severamente as aplicacións do TiO2 xa que a parte UV comprende só o 5-8% da enerxía solar. Como consecuencia, a taxa de formación de produtos de reacción por fotón incidente é tipicamente inferior ao 10% en fotocatalizadores baseados en TiO2. Este feito dió lugar ás seguintes preguntas fundamentais: poden mellorarse dalgunha maneira as propiedades ópticas do TiO2 para aproveitar mellor a enerxía solar? e existe a posibilidade de dirixir esta enerxía cara ao desencadenamiento de reaccións químicas de interese?
Para responder a estas preguntas, María Pilar de Lara-Castells e os seus colaboradores [1] propoñen o emprego de agregados atómicos de cobre de tamaño subnanométrico e demostran como estes agregados cuánticos poden aumentar en ordes de magnitude e estender a absorción desde o rango de alta enerxía, o espectro UV, cara ao visible, onde o sol ten a súa máxima produción de enerxía (ver figura). Como consecuencia, pode obterse moita máis enerxía da luz solar, e o dióxido de titanio recuberto almacena esta enerxía temporalmente en forma de pares de carga (electróns e ocos), podendo ser estes os perfectos desencadenamentos dunha posterior reactividad molecular foto-inducida.
Este resultado [1] supón un gran paso cara á o aproveitamento da enerxía solar en reactividad en superficies. Neste momento, está a traballarse na vinculación do resultado con reactividad fotocatálitica relevante. Estes novos fotocatalizadores, que imitan os procesos de fotosíntesis e actívanse coa luz solar, ofrecen novas estratexias para eliminar o CO2 e outros contaminantes comúns na atmosfera a través de procesos de oxidación activados pola enerxía solar.
María Pilar de Lara-Castells cóntanos como se chegou a este resultado e como se aproveitaron os recursos computacionales de CESGA: É importante destacar que todos os recursos computacionales empregados foron provistos por CESGA e que considero o traballo como un caso moi ilustrativo da capacidade predictiva das modelizaciones abinitio multiescala de novos materiais nanoestructurados, sendo os resultados teóricos corroborados mediante as medidas experimentais. Tamén considero en gran medida o resultado como un produto da actividade de “ networking” nun dos grupos de traballo dunha acción COST europea que liderei durante catro anos (acción COST CM1405 “ Molecules in Motion”). Isto é así porque foi nese contexto onde xurdiu a colaboración do meu grupo AbinitSim tanto coa Universidade de Santiago de Compostela e NANOGAP como coa Universidade de Tecnoloxía de Graz.
Figura 1: Andreas W. Hauser esquerda), María Pilar de Lara-Castells (centro), e Arturo M. López-Quintela (dereita). Foto tomada durante o segundo encontro internacional “MOLIM WG3: Ab-Initio Modelling of Molecular Processes Under Confinement” (Dicembro 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
