Cuando un fotocatalizador, típicamente un óxido metálico, es expuesto a radiación solar con energía igual o mayor a la energía de banda prohibida del material, los electrones en la banda de valencia son promovidos a la banda de conducción (e-), generando huecos positivos en la banda de valencia (h+). Los electrones y huecos pueden llevar a cabo reacciones de reducción y oxidación útiles en muchas aplicaciones; algunas de ellas conocidas ampliamente, y otras no tanto, pero sin duda alguna, todas relacionadas con nuestra vida diaria y la calidad de nuestro futuro.

Una de las múltiples y habituales aplicaciones de la fotocatálisis se encuentra en la remediación medioambiental; hoy en día es posible la aplicación de una pintura evolucionada en el exterior de un edificio que elimine compuestos tóxicos del aire. Debido a la integración de un material fotocatalítico en una formulación de pintura que puede eliminar compuestos orgánicos volátiles, NO_X, SO₂, e incluso CO₂. Por otro lado, utilizado en interiores, el material puede purificar el aire y eliminar los malos olores.

El mismo mecanismo de funcionamiento se aplica a la eliminación de compuestos tóxicos presentes en el suelo, por ejemplo, pesticidas, fertilizantes, clorofenoles; y de contaminantes en aguas residuales procedentes de efluentes industriales y domésticos; por ejemplo, tintes orgánicos, medicamentos, aditivos orgánicos, entre otros.

El agua y el aire limpios son los recursos más importantes para garantizar la persistencia de la humanidad, y la fotocatálisis ofrece la posibilidad de eliminar los contaminantes y reducir su impacto en el medio ambiente.

En el ámbito de la construcción y el transporte, empresas internacionales están aplicando revestimientos autolimpiantes depositados estratégicamente en ventanas y secciones exteriores para evitar la acumulación de polvo y descomponer las partículas sobre las superficies para mantenerlas limpias.  Estos revestimientos se utilizan actualmente en casas, edificios, coches, trenes rápidos y aviones. Además, los revestimientos también presentan propiedades antivaho, lo que garantiza una visión perfecta al utilizar gafas, espejos, etc.; y cuando se utilizan en lugares con poca ventilación, por ejemplo, túneles, el material fotocatalítico puede degradar los contaminantes producidos por la combustión de carburantes que se encuentran en mayores concentraciones en los túneles.

Para aplicaciones médicas, los recubrimientos y soluciones fotocatalíticos se comercializan ampliamente por su actividad antibacteriana, antivírica y antifúngica. Se ha demostrado su eficacia para inactivar E. coli e incluso el virus SARS-CoV-2. Se han comercializado máscaras faciales con material activo fotocatalítico. Además, la aplicación de estos recubrimientos se ha extendido a superficies que son tocadas constantemente por múltiples personas, por ejemplo, en el autobús, escaleras mecánicas, puertas, etc., evitando la propagación de enfermedades contagiosas.

Los materiales fotocatalíticos están presentes en muchas utilidades médicas, por ejemplo, en la ropa quirúrgica para evitar el crecimiento bacteriano, y algunos estudios han demostrado un efecto favorable para las infecciones de heridas, y para esterilizar salas, instrumentos, etc. Además, los fotocatalizadores nanoparticulados pueden utilizarse en terapia fotodinámica para generar, tras la iluminación, especies reactivas capaces de destruir células cancerosas.

El uso de la fotocatálisis se ha extendido a la agricultura, donde se ha descubierto que, en dosis tolerables, un fotocatalizador puede potenciar la germinación de las semillas y el crecimiento de las plantas, lo que podría ser un gran avance para producir alimentos para la gran población mundial, y el crecimiento de los árboles para una buena calidad del aire y el restablecimiento del equilibrio natural en los ecosistemas.

El papel de la fotocatálisis en la producción de energía limpia

La eficacia demostrada de la fotocatálisis para promover ecosistemas más sanos y ayudar en diversos sectores sienta un precedente prometedor para su aplicación en la generación de energía. Subraya el potencial de esta versátil tecnología no sólo para abordar los retos medioambientales, sino también para hacer frente a la necesidad crítica de fuentes de energía renovables.

Sólo con luz solar, agua, CO₂, y un material fotocatalítico, es posible producir hidrógeno y una serie de combustibles basados en el carbono, como metano, metanol, etanol y productos de valor añadido, por ejemplo, formaldehído y ácido fórmico. Por este motivo, este proceso se conoce como fotosíntesis artificial, ya que emula la fotosíntesis natural de las plantas, que produce carbohidratos y oxígeno a partir de la luz solar, el agua y el CO₂.

Aunque las eficiencias de conversión siguen siendo limitadas, cada día crece la lista de empresas que invierten en investigación para hacer posible la producción de combustibles solares en el mundo y contribuir a la descarbonización y al desarrollo sostenible.

Limitaciones y perspectivas actuales

Actualmente, el objetivo en fotocatálisis para aplicaciones energéticas es conseguir una mayor eficiencia solar a hidrógeno para hacer posible la producción de hidrógeno a escala práctica. Al mismo tiempo, en CIC energiGUNE ya se están estudiando otras tecnologías más consolidadas, como la electrólisis y los ciclos termoquímicos de división del agua, para su aplicación a escala práctica, como se ha descrito en artículos anteriores del blog.

Este artículo profundiza en cómo la fotocatálisis ya está dando forma a nuestra vida cotidiana y cómo encierra la clave para un futuro sostenible y energéticamente eficiente, haciendo hincapié en su importancia en el ámbito de la producción de energía limpia. Esperamos que esta información ayude a vislumbrar ese futuro limpio y atraiga una mayor participación de todos los sectores para alcanzar los objetivos del desarrollo sostenible.