Influencia de nanomateriales carbonosos en la síntesis de fotocatalizadores para la producción de hidrógeno mediante foto-reformado del glicerol

Abstract

Actualmente, los combustibles fósiles proporcionan aproximadamente el 80% de la energía primaria mundial, mientras que el resto procede de la generación de electricidad por energías renovables y la nuclear [1]. El comienzo del siglo XXI no ha supuesto una disminución en la demanda de combustibles fósiles, sino todo lo contrario, debido al crecimiento de la población mundial y a la globalización en su mayor expresión. Aunque la mejora de la calidad de vida de las poblaciones debe su éxito al uso de los recursos energéticos y a las distintas actividades antropogénicas, también surge un antagonismo inherente a su uso, que ha contribuido con el cambio climático. El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) estima un aumento probable del calentamiento global de 1,5 °C a 2,0 °C durante el siglo XXI, a menos que se reduzcan las emisiones de CO2 y demás gases de efecto invernadero [2]. Hasta ahora, la producción de hidrógeno sigue proviniendo de los recursos energéticos fósiles y, por tanto, contribuye como fuente contaminante y productora de 830 Mt CO2 al año. A futuro, se prevé que las industrias demanden mayores cantidades de hidrógeno provenientes de recursos renovables e incorporen tecnologías de captura, almacenamiento y utilización de carbono (CCUS) en los métodos de producción convencionales que utilizan combustibles fósiles, de tal manera que se alcance la neutralidad o cero emisiones de gases de efecto para el año 2050 (NZE) [3‒5]. La producción solar de hidrógeno se considera una forma prometedora de utilizar la energía solar y abordar el cambio climático derivado de la combustión de combustibles fósiles [6]. Utilizando este enfoque se puede producir hidrógeno verde mediante fotocatálisis heterogénea a partir semiconductores que tienen una banda de energía prohibida adecuada como para ser excitados por luz UV y/o visible, así como unos potenciales redox de los bordes de las bandas de conducción y valencia adecuados para poder desarrollar las reacciones de oxidación y reducción necesarias [7,8]. Entre los catalizadores empleados, el TiO2 es el más utilizado en procesos fotocatalíticos desde que Fujishima y Honda, en 1972, provocaran la división del agua fotoelectroquímicamente sobre un cátodo de Pt y un fotoánodo de TiO2 [9]. La amplia utilización del TiO2 es debida a sus excepcionales propiedad ópticas y electrónicas, su estabilidad química, no toxicidad y bajo coste [10,11]. Sin embargo, este semiconductor también presenta algunos inconvenientes tales como una alta velocidad de recombinación de los pares electrón–hueco fotoinducidos, así como un band gap de aproximadamente 3.2 eV que solo permite la adsorción de un ~5 % de la radiación solar, por lo que estaría limitado al uso de radiación UV. Ante estas desventajas, se ha propuesto como estrategia dopar y/o añadir un co-catalizador al TiO2 con: a) metales nobles (Pt, Au) [12], no nobles (Cu, Ni) [13,14] o b) elementos no metálicos (B, C, N, S) [15,16], solo por citar algunos ejemplos. El uso de dopantes ha mejorado algunas características importantes del TiO2, por ejemplo; (a) la extensión del rango de absorción de luz a la región visible y/o (b) el retraso de la recombinación de los pares electrón-hueco. En este sentido, la combinación de TiO2 y carbón conduce a propiedades fotocatalíticas mejoradas, tales como: i) el aumento de superficie específica con un mayor número de sitios activos y de absorción, ii) un importante efecto fotosensibilizador que disminuye el valor de la banda de energía prohibida del semiconductor y iii) una reducción en la velocidad de recombinación de los portadores de carga