Investigadores del instituto IQTCUB de la Universidad de Barcelona han creado modelos computacionales de nanopartículas de óxido de titanio. El avance servirá para buscar un catalizador que, con luz visible, permita la división del agua y generar hidrógeno, uno de los combustibles del futuro.
El óxido de titanio (TiO2) es un material con propiedades únicas de fotocatálisis y se está aplicando en muchas áreas tecnológicas. Una de las propiedades principales que tiene es la capacidad de fotocatalizar la rotura de la molécula de agua para obtener una molécula de hidrógeno y una de oxígeno. El hidrógeno es el combustible potencial más limpio de que podríamos disponer, con el reto es conseguir un procedimiento limpio que permita dejar de usar combustibles fósiles
Los miembros del proyecto COMPHOCAT, liderado por el catedrático Francesc Illas, director del Instituto de Investigación de Química Teórica y Computacional de la Universidad de Barcelona (IQTCUB), han estudiado las propiedades de este óxido en la nanoescala para construir modelos computacionales que simulen el comportamiento de las nanopartículas que se utilizarán en la práctica. Algunos de los avances los publican en The Journal of Physical Chemistry C.
"Hasta ahora, no ha sido posible identificar fotocatalizadores de TiO2 con actividad en la región de la luz visible, lo que limita sus aplicaciones prácticas", explica Illas, que añade: "Para conseguir que un fotocatalizador sea práctico necesitamos obtener luz en el rango ultravioleta, en el que el TiO2 funciona mejor, o bien modificar el compuesto para que tenga las mismas características con luz visible".
Según el investigador, la primera opción queda descartada "porque no se puede recoger luz ultravioleta suficiente a partir de la luz solar, ya que la atmósfera absorbe la luz de este rango". El segundo caso (modificar las nanopartículas de TiO2) es lo que se está estudiando desde el IQTCUB.
El equipo ha creado modelos realistas de diversas nanopartículas de TiO2 en las que se han estudiado las propiedades electrónicas empleando métodos basados en la teoría del funcional de la densidad, y ha llevado a cabo cálculos precisos teniendo en cuenta todos los electrones e incluyendo efectos relativistas.
"La geometría de cada partícula ha sido determinada por la minimización de la energía, una técnica utilizada para obtener la distribución de átomos más estable para una molécula", apunta Illas. Las propiedades electrónicas se han estudiado como función del tamaño y forma de la nanopartícula.
Candidatas a la ventana de la luz visible
"Estos modelos de la estructura del TiO2 han permitido construir una base de datos con nanopartículas que debidamente modificadas, serían candidatas con un espectro de absorción adecuado a la ventana de la luz visible", afirma el investigador de la UB.
El equipo de investigación liderado por Illas está formado por los investigadores del IQTCUB Stefan Bromley (ICREA), Francesc Viñes, Kyoung Chul Ko, Ángel Morales, Rosendo Valero y los investigadores en formación Antoni Macià y Oriol Lamiel.
El proyecto COMPHOCAT se ha llevado a cabo gracias a los 52 millones de horas de cálculo con la supercomputadora MareNostrum del Barcelona Supercomputing Center (BSCN-CNS) otorgadas por el Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE).
Con el fin de continuar esta investigación, la misma plataforma PRACE ha otorgado al equipo de Illas 40 millones de horas de cálculo adicionales para el nuevo proyecto EXCIPHOCAT, que permitirá caracterizar los compuestos diseñados en esta primera fase.
Referencias bibliográficas:
A. Morales-García, O. Lamiel-Garcia, R. Valero y F. Illas. "Properties of single oxygen vacancies on a realistic (TiO2)84 nanoparticle: a challenge for density functionals". The Journal of Physical Chemistry C, enero de 2018. Doi: 10.1021/acs.jpcc.7b11269
F. Viñes, O. Lamiel-Garcia, F. Illas y 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 y 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
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