Producción Eficiente de Hidrógeno por Luz Visible con Híbrido g-C3N4/GO Sensibilizado por Eosina Y Cargado con Cocatalizador de Aleación PtNi

Resumen

Combinar un cocatalizador de aleación platino-níquel (PtNi) con un híbrido g-C₃N₄/óxido de grafeno (GO), sensibilizado por el colorante orgánico Eosina Y, proporciona una tasa de evolución de hidrógeno sin precedentes de 5,89 mmol g⁻¹ h⁻¹ bajo irradiación de luz visible. La aleación PtNi, sintetizada por un enfoque sencillo de reducción química y sonicoquímico, reduce la carga de Pt mientras preserva la actividad catalítica. Estudios comparativos muestran que el sistema PtNi es 1,54 veces más activo que Pt puro y 1.178 veces más activo que Ni puro, destacando la interacción sinérgica que promueve la transferencia de electrones y aumenta los sitios reactivos. Medidas de fotoluminiscencia y fotocorriente transitoria confirman que la aleación mejora la separación de portadores de carga, impulsando eficientemente la reacción de evolución de hidrógeno (HER).

Introducción

La generación de hidrógeno impulsada por energía solar ofrece una alternativa limpia a los combustibles fósiles. Para hacer esta tecnología práctica, un fotocatalizador sensible a luz visible y un cocatalizador eficiente y de bajo costo son esenciales. Mientras que el noble metal Pt es altamente efectivo, su escasez y gasto motivan el desarrollo de aleaciones bimetálicas que reemplacen parte de Pt con metales de transición más baratos como Ni. Estudios previos sobre aleaciones PtNi o PtCo en huéspedes semiconductores han demostrado actividad HER comparable o superior. Aquí, reportamos el primer uso de un híbrido g-C₃N₄/GO sensibilizado por Eosina Y decorado con una aleación PtNi, logrando una evolución de hidrógeno récord desde agua bajo luz solar simulada.

Materiales y Métodos

Preparación de g-C₃N₄ y GO

El g-C₃N₄ polimérico se obtuvo por condensación térmica de urea a 600 °C por 2 h. El GO se sintetizó vía un método Hummers modificado y liofilizado. El compuesto g-C₃N₄/GO (ratio de masa 2:1) se dispersó ultrasónicamente en agua para promover contacto íntimo.

Deposición de Aleación PtNi

Sales de Pt y Ni se añadieron conjuntamente a una dispersión de g-C₃N₄ en etanol anhidro, seguida de reducción con NaBH₄. La carga simultánea de Pt y Ni (ratio molar 1:1) produjo nanopartículas de PtNi uniformemente distribuidas (diámetro promedio <5 nm) en la matriz g-C₃N₄/GO. El compuesto resultante (PtNi/GO-0,5 %) se recogió, lavó y secó a 60 °C.

Pruebas Fotocatalíticas

La evolución de hidrógeno se midió en un reactor Pyrex conteniendo 100 mL de solución acuosa de trietanolamina (TEOA) al 20 % (v/v) (pH = 7) con 50 mg de fotocatalizador y 50 mg de Eosina Y. Una lámpara de xenón de 300 W (λ > 420 nm) iluminó la suspensión, y el H₂ se cuantificó por cromatografía de gases.

Resultados y Discusión

Caracterización Estructural

La difracción de rayos X confirmó la estructura tipo grafítica del g-C₃N₄ (2θ = 13,8° y 27,4°). Imágenes TEM revelaron una morfología delgada y en capas y confirmaron la presencia de pequeñas nanopartículas de PtNi bien dispersas. El análisis XPS mostró Pt en un estado de oxidación cercano a cero, mientras que Ni exhibió un ligero desplazamiento a menor energía de enlace, indicativo de formación de aleación. La razón Pt:Ni se determinó en 9:11 por XPS, cercano al ratio molar 1:1 objetivo.

Rendimiento de Evolución de Hidrógeno

El compuesto PtNi/GO-0,5 % logró 5,89 mmol g⁻¹ h⁻¹, superando a Pt/GO (3,82 mmol g⁻¹ h⁻¹) y Ni/GO (0,005 mmol g⁻¹ h⁻¹). La optimización del ratio Pt/Ni reveló un máximo en 1:1; aumentar Ni más allá de esta razón redujo la actividad HER debido a pérdida de sitios activos de Pt. La carga óptima de PtNi fue 0,5 % en peso relativa a la matriz g-C₃N₄/GO; cargas mayores obstaculizaron la absorción de luz y disminuyeron ligeramente el rendimiento.

Estabilidad

Cuatro ciclos consecutivos de irradiación de 4 horas mostraron solo una caída <5 % en la producción de H₂, demostrando buena fotoestabilidad atribuida al robusto marco g-C₃N₄ y Eosina Y unida covalentemente.

Perspectivas Mecánicas

Los espectros UV-Vis de reflectancia difusa mostraron que la aleación PtNi mejora la separación de carga en lugar de la absorción de luz. El apagado de fotoluminiscencia y mediciones de fotocorriente transitoria confirmaron la separación de electrón-hueco más eficiente en el sistema PtNi/GO, correlacionando con la tasa HER más alta. Un ciclo fotocatalítico propuesto involucra transferencia de electrones desde Eosina Y excitada a g-C₃N₄/GO y luego a la aleación PtNi, donde los protones se reducen a H₂. Los huecos oxidan el TEOA sacrificial.

Conclusión

El estudio demuestra que un cocatalizador de aleación PtNi, sintetizado vía una ruta simple de reducción/sonicación, aumenta dramáticamente la evolución fotocatalítica de hidrógeno por luz visible en un híbrido g-C₃N₄/GO sensibilizado por Eosina Y. Con una tasa de 5,89 mmol g⁻¹ h⁻¹, este sistema ofrece una alternativa rentable al Pt puro, allanando el camino para la producción de hidrógeno escalable y sostenible.