Estudio de las propiedades fotoelectroquímicas de clústeres cuánticos subnanométricos 

Resumen

Los clústeres cuánticos atómicos (AQCs, por sus siglas en inglés) son partículas con un número definido de entre aproximadamente 2 y 100 átomos de elementos metálicos, que poseen estructuras definidas con enlaces covalentes y con tamaños <≈ 1nm. A esta escala, sus propiedades vienen determinadas por los efectos cuánticos, por lo que presentan niveles energéticos discretos y un HOMO-LUMO gap que aumenta conforme se reduce el tamaño del AQC. Se trata, por tanto, de materiales moleculares con propiedades similares a los semiconductores, a pesar de estar constituidos por elementos metálicos. Como sus propiedades dependen fuertemente de su tamaño, se puede lograr un ajuste de las mismas, lo que permite, en principio, lograr excelentes actividades y selectividades en la catálisis de numerosas reacciones químicas y fotoquímicas mediante la selección de AQCs, con número de átomos determinados del elemento adecuado. El reciente desarrollo de síntesis químicas y electroquímicas, potencialmente escalables, evitando el uso de costosos procesos físicos para su fabricación, abre las puertas a su utilización a nivel industrial, con especial interés en procesos que facilitan el desarrollo sostenible. En la presente tesis se estudió el sistema fotocatalítico (en el UV) formado por clústeres de tres átomos de plata soportados sobre nanopartículas de oro, modificándose posteriormente este sistema con clústeres de cobre de distintos tamaños, lo que permite utilizar diferentes longitudes de onda (inclusive el visible), tanto para procesos de fotoxidación, como para la producción de hidrógeno. También se consiguió sustituir las nanopartículas de oro por nanofibras de plata, permitiendo fabricar un electrodo conductor y transparente, como soporte de distintos tipos de clústeres, con el que se diseñó –por primera vez- una celda fotovoltaica basada exclusivamente en clústeres. Para ello, se emplearon, tanto AQCs de cinco átomos de cobre, Cu5, (que absorben luz a 254nm) como AQCs tiolados de veinticinco átomos de plata, Ag25, (que absorben en el visible). Por último, se demostró que AQCs de Cu5 sintetizados electroquímicamente en agua, sin ningún tipo de ligando protector, son excelentes catalizadores para la electroreducción de dióxido de carbono, observándose que –sorprendentemente- estos AQCs son capaces de catalizar la reacción, tanto en medio muy ácido (pH = 0,3) como en medio muy alcalino (pH = 13).