A la recerca d'un fotocatalitzador per obtenir hidrogen a partir d'aigua amb llum visible
Lʼhidrogen és el combustible potencial més net de què podríem disposar; el repte és aconseguir un procediment net que permeti deixar dʼusar combustibles fòssils. El projecte COMPHOCAT, liderat pel catedràtic Francesc Illas, director de l'Institut de Recerca de Química Teòrica i Computacional de la Universitat de Barcelona (IQTCUB), ha treballat en la modelització computacional de nanopartícules dʼòxid de titani (TiO2) per cercar un catalitzador que, amb llum visible, permeti la divisió de lʼaigua per generar hidrogen.
Lʼhidrogen és el combustible potencial més net de què podríem disposar; el repte és aconseguir un procediment net que permeti deixar dʼusar combustibles fòssils. El projecte COMPHOCAT, liderat pel catedràtic Francesc Illas, director de l'Institut de Recerca de Química Teòrica i Computacional de la Universitat de Barcelona (IQTCUB), ha treballat en la modelització computacional de nanopartícules dʼòxid de titani (TiO2) per cercar un catalitzador que, amb llum visible, permeti la divisió de lʼaigua per generar hidrogen.
El TiO2 és un material amb propietats úniques de fotocatàlisi i sʼestà aplicant en moltes àrees tecnològiques. Una de les propietats principals que té és la capacitat de fotocatalitzar el trencament de la molècula dʼaigua per obtenir-ne una molècula dʼhidrogen i una dʼoxigen. Lʼobjectiu principal de COMPHOCAT ha estat estudiar les propietats del TiO2 a la nanoescala i construir models computacionals que simulin el comportament de les nanopartícules que es faran servir a la pràctica.
«Fins ara, no ha estat possible identificar fotocatalitzadors de TiO2 amb activitat a la regió de la llum visible, fet que en limita les aplicacions pràctiques», explica Francesc Illas. «Per aconseguir que un fotocatalitzador sigui pràctic —continua lʼinvestigador— necessitem obtenir llum en el rang ultraviolat, en el qual el TiO2 funciona millor, o bé modificar el compost perquè tingui les mateixes característiques amb llum visible». Segons Illas, la primera opció queda descartada «perquè no es pot recollir llum ultraviolada suficient a partir de la llum solar, ja que lʼatmosfera absorbeix la llum dʼaquest rang». El segon cas —modificar les nanopartícules de TiO2— és el que sʼestà estudiant des de lʼIQTCUB.
Lʼequip de recerca liderat per Illas està format pels investigadors de lʼIQTCUB Stefan Bromley (ICREA), Francesc Viñes, Kyoung Chul Ko, Ángel Morales, Rosendo Valero i els investigadors en formació Antoni Macià i Oriol Lamiel. Aquests investigadors han creat models realistes de diverses nanopartícules de TiO2 en les quals sʼhan estudiat les propietats electròniques emprant mètodes basats en la teoria del funcional de la densitat, i han dut a terme càlculs precisos tenint en compte tots els electrons i incloent-hi efectes relativistes. «La geometria de cada partícula ha estat determinada per la minimització de lʼenergia, una tècnica utilitzada per obtenir la distribució dʼàtoms més estable per a una molècula», apunta Illas. Les propietats electròniques sʼhan estudiat com a funció de la mida i forma de la nanopartícula. «Aquests models de lʼestructura del TiO2 han permès construir una base de dades amb nanopartícules candidates amb un espectre dʼabsorció adient a la finestra de la llum visible», afirma lʼinvestigador de la UB.
El projecte COMPHOCAT sʼha dut a terme gràcies als 52 milions dʼhores de càlcul amb la supercomputadora MareNostrum del Barcelona Supercomputing Center (BSCN-CNS) atorgades pel Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE). Per continuar aquesta recerca, la mateixa plataforma PRACE ha atorgat a lʼequip dʼIllas 40 milions dʼhores de càlcul addicionals per al nou projecte EXCIPHOCAT, que permetrà caracteritzar els compostos dissenyats en aquesta primera fase.
Articles de referència del projecte COMPHOCAT:
A. Morales-García, O. Lamiel-Garcia, R. Valero i F. Illas. «Properties of single oxygen vacancies on a realistic (TiO2)84 nanoparticle: a challenge for density functionals». The Journal of Physical Chemistry C, gener de 2018. DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b11269
F. Viñes, O. Lamiel-Garcia, F. Illas i S. T. Bromley. «Size dependent structural and polymorphic transitions in ZnO: from nanocluster to bulk». Nanoscale, 2017. Doi: 10.1039/C7NR02818K
O. Lamiel-Garcia, K. C. Ko, J. Y. Lee, S. T. Bromley i F. Illas. «When anatase nanoparticles become bulk-like: properties of realistic TiO2 nanoparticles in the 1-6 nm size range from all electron relativistic density functional theory based calculations». Journal of Chemical Theory and Computation, 2017. Doi: 10.1021/acs.jctc.7b00085