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Para eliminar microcontaminantes como pesticidas y trazas de sustancias químicas del medio ambiente, se necesita algo igualmente pequeño e innovador. Un método potencial es la fotocatálisis, que utiliza nanomateriales semiconductores activados por la luz solar para adsorber y degradar sustancias químicas tóxicas en la superficie de los materiales.
Un equipo de la Universidad de Cornell utilizó una nueva forma de imágenes ópticas de alta resolución para comprender cómo funciona la adsorción (es decir, la unión de moléculas a las superficies) en el semiconductor óxido de titanio (TiO2) con una partícula de oro añadida como cocatalizador. Descubrieron que el oro mejora la absorción en un área sorprendentemente grande de la superficie del semiconductor, a más de un micrómetro de distancia de la fuente. Este descubrimiento podría conducir a una mayor eficiencia fotocatalítica para eliminar microcontaminantes en las aguas residuales.
el los resultados Publicado el 19 de julio en Naturaleza estimulante. El autor principal del artículo es el ex investigador postdoctoral de la Universidad de Cornell, Ming Zhao, que ahora trabaja en la Universidad Nacional de Singapur. Lideró el proyecto Peng Chenprofesor Peter J. W. Deby de Química en la Facultad de Artes y Ciencias y autor principal del artículo.
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Mejorar el dióxido de titanio con oro es una forma bastante común de fotocatálisis, razón por la cual el equipo de Chen eligió esta combinación. Querían trabajar con sistemas modelo establecidos. El desarrollo fundamental fue un nuevo método de obtención de imágenes: adCOMPEITS, abreviatura de Técnica de obtención de imágenes habilitada por competencia basada en adsorción con superresolución, que se basa en un proceso previo realizado por el laboratorio. diseñador.
En la técnica adCOMPEITS, se adsorbe una molécula sonda fluorescente sobre la superficie de la partícula y se obtienen imágenes de su fluorescencia. Luego se envía una molécula microcontaminante no fluorescente para que se una a la superficie, donde compite por la absorción con la sonda fluorescente. Luego se puede medir la disminución resultante en la absorción de la sonda (esencialmente creando una imagen negativa) y mapearla con una resolución extremadamente alta.
El equipo utilizó este método para medir la absorción de dos microcontaminantes típicos, el insecticida pirimifos metílico y el laxante dietil ftalato, en una variedad de condiciones de reacción y no reacción.
«Medimos la absorción en la superficie de una nanobarra de dióxido de titanio en diferentes lugares, y luego específicamente en el lugar donde se encuentra la partícula de oro, y también en lugares muy alejados de la partícula de oro», dijo Chen. “La nanopartícula de oro tiene un tamaño de sólo 100 nanómetros. Hemos descubierto que mejora la absorción a una micra de distancia de donde se encuentra la partícula, es decir, casi 10 veces la distancia”.
La razón detrás de este aumento de banda es que la partícula de oro cambia las propiedades electrónicas en la superficie del dióxido de titanio, un fenómeno llamado curvatura de la banda superficial, que fue descubierto por el laboratorio de Chen. Ha sido estudiado previamente En moléculas semiconductoras tridimensionales que exhiben propiedades bidimensionales.
«Resulta que la flexión de la banda no sólo dobla las bandas donde están, sino que la flexión de la banda se extiende a lo largo de la superficie del dióxido de titanio», dijo Chen. «Esta curvatura de banda tiene un patrón de decaimiento exponencial hasta micras distantes, lo que resulta en esta mejora de la absorción de largo alcance».
Este descubrimiento demuestra una ventaja particular del uso de nanopartículas metálicas como el oro como cocatalizadores: solo se necesita una pequeña cantidad para mejorar la adsorción en el semiconductor. En última instancia, esto puede ayudar a resolver uno de los desafíos de la fotocatálisis, que a menudo tiene una baja eficiencia de conversión al convertir la energía solar en una reacción química. Más allá de las aplicaciones fotocatalíticas, también se puede utilizar en procesos como sensores y células solares recubiertas de tinte.
«Esta mejora de largo alcance debería ser ampliamente aplicable. Al ampliar este alcance, podemos considerar mejorar muchos tipos de semiconductores utilizando muchos tipos de cocatalizadores con diferentes propiedades electrónicas», dijo Chen.
referencia: Zhao M, Li W, Yang M, et al. Mejoras a largo plazo de la adsorción de microcontaminantes sobre fotocatalizadores mejorados con metales. Nat Cathal. 2024. Doi: 10.1038/S41929-024-01199-0
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