producción fotocatalítica de hidrógeno y disociación del agua

La producción fotocatalítica de hidrógeno es la generación directa de hidrógeno a partir de agua y luz mediante un fotocatalizador semiconductor, sin el rodeo de la generación externa de electricidad como en la electrólisis clásica. El objetivo del proceso es la disociación fotocatalítica del agua: la absorción de luz crea pares electrón-hueco en el semiconductor que impulsan la reducción de protones a hidrógeno y la oxidación del agua a oxígeno en la superficie del catalizador. El reto técnico central no reside solo en el desarrollo de materiales, sino en la evaluación fiable del aprovechamiento de la luz: la eficiencia, el rendimiento cuántico aparente y la eficiencia de conversión solar a hidrógeno (STH) solo tienen sentido si se conocen con precisión el flujo de fotones, la irradiancia espectral, la superficie irradiada y la geometría del reactor. Sin estas magnitudes ópticas, cualquier valor de eficiencia queda incompletamente definido.

La generación fotocatalítica de hidrógeno todavía no constituye un mercado económico propio; no existen cifras de mercado fiables al respecto. Como referencia, el sector del hidrógeno en su conjunto sirve de indicador de mercado: la demanda mundial de hidrógeno aumentó hasta un poco menos de 100 millones de toneladas en 2024, un incremento de aproximadamente un 2 % respecto a 2023, impulsado principalmente por aplicaciones ya establecidas en el refino de petróleo y la industria (IEA, Global Hydrogen Review 2025). El hidrógeno de bajas emisiones -que abarca tanto la electrólisis a partir de electricidad renovable como, potencialmente, los procesos fotocatalíticos- creció un 10 % en 2024, pero sigue representando menos de un 1 % de la producción mundial. El potencial de producción de los procesos de bajas emisiones anunciado para 2030 se revisó incluso a la baja en la edición actual del informe respecto al año anterior, de 49 a 37 millones de toneladas al año, principalmente debido a retrasos en proyectos de electrólisis.

Incluso las vías tecnológicamente más maduras, como la electrólisis alcalina y PEM, se encuentran así solo al inicio de su escalado; la disociación fotocatalítica del agua se sitúa claramente por detrás en esta curva de madurez y permanece predominantemente en escala de laboratorio y planta piloto. Una primera indicación fiable sobre las perspectivas económicas procede de una evaluación de costes y CO2 de 2025 de un reactor de canal tipo Z-scheme escalable, que valora el enfoque como potencialmente competitivo frente a la electrólisis convencional, aunque exige explícitamente una mayor validación experimental y ensayos de campo (Collins et al., Energy & Environmental Science 2025). La investigación se centra actualmente en semiconductores como TiO2, g-C3N4, sulfuros, oxinitruros, vanadato de bismuto y heteroestructuras complejas, complementados con cocatalizadores de platino, níquel, cobalto o aleaciones; los antecedentes sobre la selección de materiales y el ancho de banda prohibida se explican en la página de aplicación de fotocatálisis. Se presta especial atención a los sistemas activos con luz visible, ya que la fracción UV del espectro solar aporta solo una pequeña parte de los fotones disponibles. Este desplazamiento hacia rangos de absorción más amplios genera un requisito de medición: los rangos espectrales UV y visible deben registrarse conjuntamente y con resolución espectral, un requisito cuya importancia crece a medida que aumenta la diversidad de materiales.

Cinco desarrollos marcan el ritmo y la dirección de este campo:

Sustitución de las lámparas de vapor de mercurio por simuladores solares de xenón y LEDs UV: esta tendencia mejora la controlabilidad espectral de los experimentos de laboratorio y hace que los resultados de medición entre distintos montajes sean más comparables, pero exige a su vez una caracterización espectral más cuidadosa de las nuevas fuentes, a menudo de banda más estrecha.

Iniciativas de estandarización de protocolos de ensayo: las propuestas para la determinación y validación uniformes de los valores STH y AQY para fotocatalizadores particulados buscan mejorar la comparabilidad de las eficiencias publicadas entre laboratorios; la consecuencia concreta es una expectativa creciente de que las publicaciones documenten íntegramente las condiciones de irradiación (Wang et al., Joule 2021).

Escalado de laboratorio a planta piloto: conceptos como el reactor de canal tipo Z-scheme desplazan el foco de la mera optimización de materiales hacia la evaluación de costes y CO2 a escala de campo; esto pone en mayor relieve la transferibilidad de las mediciones de laboratorio bajo un simulador solar a condiciones reales al aire libre con un espectro solar fluctuante.

Alejamiento de los sistemas basados únicamente en reactivos sacrificiales: el foco se desplaza cada vez más hacia una disociación real del agua con una relación estequiométrica de hidrógeno a oxígeno, en lugar de semirreacciones; esto eleva las exigencias analíticas del análisis de gases que la acompaña.

Compatibilidad con agua de mar y agua sin tratar: los avances en materiales resistentes a la corrosión, como las aleaciones de InGaN, reducen la dependencia de agua de alta pureza como materia prima y acercan a la viabilidad técnica las aplicaciones independientes de la ubicación (Zhou et al., Nature 2023).

cuando un fotón con una energía superior al ancho de banda prohibida del semiconductor incide sobre el fotocatalizador, un electrón pasa de la banda de valencia a la banda de conducción, dejando atrás un «hueco» con carga positiva en la banda de valencia. estos portadores de carga deben alcanzar primero la superficie de la partícula sin recombinarse antes de poder impulsar allí las reacciones químicas: los electrones reducen los protones a hidrógeno, los huecos oxidan el agua a oxígeno. la disociación completa del agua requiere termodinámicamente un ancho de banda prohibida de al menos 1,23 electronvoltios, ya que esto corresponde a la entalpía libre de reacción de la reacción (U.S. DOE/OSTI, Metal-Free Photocatalysts for Hydrogen Evolution). en la práctica, los anchos de banda prohibida utilizables se sitúan muy por encima de este valor, ya que deben superarse sobrepotenciales adicionales para las reacciones de evolución de hidrógeno y oxígeno, así como las pérdidas por recombinación de los portadores de carga. los cocatalizadores fabricados con metales nobles o de transición abordan precisamente este punto: reducen la energía de activación en la superficie y aceleran la extracción de los portadores de carga, dejando menos tiempo para que la recombinación aniquile los pares electrón-hueco fotogenerados.

La elección del material determina qué parte del espectro solar puede utilizarse, mientras que el tipo de reactor y la fuente de luz determinan en qué condiciones ópticas límite se somete realmente a prueba un catalizador.

Se depositan cocatalizadores de platino, níquel, cobalto o aleaciones como PtPdAg sobre los materiales de soporte para facilitar cinéticamente la reacción de evolución de hidrógeno; su carga, distribución y calidad de contacto suelen influir en el rendimiento cuántico con más fuerza que la sola elección del semiconductor de soporte.

Para la caracterización en laboratorio se utilizan diferentes fuentes de luz. Los simuladores solares de xenón reproducen de forma de banda ancha el espectro solar AM1.5G y son un requisito previo para mediciones STH comparables; su idoneidad se evalúa mediante criterios como la coincidencia espectral, la uniformidad espacial y la estabilidad temporal, tal como se definieron originalmente para las pruebas fotovoltaicas en la norma IEC 60904-9 y que pueden transferirse por analogía a la caracterización STH (IEC 60904-9:2020). Las lámparas de vapor de mercurio proporcionan un espectro de líneas rico en UV pero discontinuo, y cada vez se sustituyen más por LED UV, tanto por razones espectrales como normativas. Los LED UV emiten en banda estrecha a una longitud de onda definida y, por ello, son especialmente adecuados para determinar el rendimiento cuántico aparente de forma resuelta en longitud de onda. La luz solar natural se utiliza en ensayos al aire libre y en planta piloto, pero requiere una medición espectral simultánea, ya que la cobertura de nubes, la hora del día y la estación afectan directamente a la intensidad y al espectro.

En cuanto a los reactores, se distingue entre reactores discontinuos o de suspensión, reactores de flujo y microrreactores, reactores de película inmovilizada, y reactores de panel de gran superficie o de tipo raceway, tal como se discuten para los conceptos de esquema Z a escala piloto. Cada geometría modifica la longitud del camino óptico, el área irradiada y el tiempo de residencia de los fotones en el medio, por lo que forma parte en sí misma de las condiciones ópticas límite del experimento.

Varios parámetros del proceso actúan sobre la velocidad de evolución de hidrógeno, a menudo de forma simultánea y no independiente entre sí:

• Flujo de fotones espectral: solo los fotones con energía superior al ancho de banda contribuyen a la excitación; por tanto, la irradiancia total de una fuente de banda ancha no es una medida directa de la cantidad de fotones aprovechable.
• Longitud de onda o energía del fotón: determina si un fotón puede ser absorbido en absoluto y, en sistemas con varios absorbentes, qué subproceso (evolución de hidrógeno u oxígeno) se activa.
• Masa del catalizador y superficie activa: al aumentar la masa, la absorción de luz crece primero, pero después se satura cuando la suspensión se vuelve ópticamente densa; a partir de ese punto, la actividad específica por masa disminuye porque las partículas más profundas ya no reciben luz.
• Volumen del reactor y longitud del trayecto óptico: determinan cuántos fotones se absorben realmente en lugar de transmitirse o dispersarse en su recorrido por el medio.
• Concentración del reactivo sacrificial: reactivos sacrificiales como el metanol o la trietanolamina consumen los huecos fotogenerados y evitan así la reacción inversa, pero convierten el proceso de una auténtica división del agua en una semirreacción.
• Temperatura: afecta a la cinética de reacción y a la solubilidad de los gases, y, como muestra un estudio reciente, una temperatura de servicio deliberadamente elevada de unos 70 °C puede suprimir la reacción inversa de hidrógeno y oxígeno, aumentando significativamente el rendimiento neto (Zhou et al., Nature 2023).
• Tipo de fuente y espectro: determina qué fracción del espectro del catalizador se excita en absoluto y si una medición es comparable a una medición STH bajo un espectro de referencia.

Un error habitual consiste en suponer que la potencia eléctrica de la lámpara es una medida utilizable de la excitación óptica. Se producen pérdidas por reflexión, filtros, el vidrio del reactor, la geometría y la absorción en el medio; en el caso de fuentes de tipo solar, la potencia se distribuye además en un amplio espectro, del cual solo una parte se encuentra por encima del ancho de banda prohibida y, por tanto, es en absoluto aprovechable. Un valor en vatios de la fuente de alimentación de la lámpara no dice nada, por tanto, sobre el flujo de fotones que realmente llega al catalizador.

Un segundo aspecto, considerado con menor frecuencia, se refiere a los límites de la ley de reciprocidad fotoquímica (ley de Bunsen-Roscoe), según la cual un efecto fotoquímico debería depender únicamente del producto de la irradiancia y el tiempo, es decir, la dosis. Esta suposición solo es válida mientras el rendimiento cuántico sea independiente de la intensidad. En los sistemas fotocatalíticos esto a menudo no es así: a medida que aumenta la irradiancia, se incrementa la concentración en estado estacionario de los portadores de carga fotogenerados, de modo que los procesos de recombinación bimolecular cobran una importancia desproporcionada. El rendimiento cuántico aparente disminuye entonces con el aumento de la intensidad, y una exposición corta e intensa no produce el mismo resultado que una exposición larga y débil con una dosis idéntica. Por tanto, un valor de tiempo o de dosis por sí solo, sin conocer la irradiancia real, no basta para comparar dos series experimentales.

Otras fuentes de error habituales:

• Reacción inversa en lugar de un rendimiento neto real: el mismo cocatalizador que acelera la evolución de hidrógeno también puede catalizar la recombinación de hidrógeno y oxígeno para formar de nuevo agua. Sin comprobar la relación estequiométrica de aproximadamente 2:1 entre hidrógeno y oxígeno, no queda claro si se está produciendo una auténtica división completa del agua o solo una semirreacción con un reactivo sacrificial (Wang et al., Joule 2021).
• Fotocorrosión: los materiales sulfurados, como el CdS, se descomponen bajo la iluminación y pueden entonces producir hidrógeno incluso sin una división del agua funcional; se necesitan evidencias a lo largo del tiempo para distinguir la autodescomposición de la actividad catalítica.
• Posición de medición fuera del reactor: una medición tomada directamente en la lámpara no describe ni las pérdidas por dispersión ni la absorción en el vidrio del reactor o en el medio, y sobreestima sistemáticamente la irradiancia que realmente llega al catalizador.
• Irradiancia compartida para distintos anchos de banda prohibida: si se ensayan bajo la misma lámpara de banda ancha un material activo en UV y otro activo en luz visible, la irradiancia total no constituye una base de comparación común, porque ambos materiales aprovechan partes distintas del mismo espectro. Solo una medición con resolución espectral permite asignar correctamente el flujo de fotones que cada material puede realmente utilizar.

Los fotocatalizadores suelen estar presentes en forma de polvos en suspensión. A diferencia de las disoluciones transparentes y con dispersión débil, la ley de Beer-Lambert simple, que describe la absorción únicamente en función de la concentración y la longitud del trayecto óptico, solo es aplicable aquí de forma limitada: una parte sustancial de la luz incidente se dispersa en las partículas, a veces se refleja varias veces y puede reabsorberse en otro punto de la suspensión. Para capas de polvo con fuerte dispersión y reflexión difusa se utiliza por ello a menudo la teoría de Kubelka-Munk, que trata por separado los coeficientes de dispersión y de absorción en lugar de combinarlos en un único coeficiente de extinción como hace Beer-Lambert. Para la medición práctica esto significa lo siguiente: una irradiancia calibrada con una disolución de referencia transparente no puede transferirse sin más a una suspensión de catalizador turbia; concentraciones de catalizador más altas aumentan inicialmente el aprovechamiento de la luz, pero desplazan de forma creciente la absorción de luz hacia una fina capa límite cerca de la superficie iluminada, mientras que las regiones más profundas de la suspensión quedan ópticamente en sombra. La geometría del reactor y la carga de catalizador no son, por tanto, variables independientes, sino conjuntamente responsables de la distribución espacial real de la absorción de fotones. El propio error de medición del sensor depende además de su concordancia espectral con la fuente; véase desajuste espectral en sensores UV.

Además de la energía fotónica como magnitud fundamental, dos métricas dominan la evaluación de los sistemas fotocatalíticos en la bibliografía.

Energía fotónica: según la relación de Planck-Einstein, E = h·c/λ, donde h es la constante de Planck, c la velocidad de la luz y λ la longitud de onda. En la práctica, la relación puede escribirse como λ [nm] ≈ 1240 / E [eV]. Determina qué longitudes de onda puede excitar un fotocatalizador con una determinada banda prohibida.

Rendimiento cuántico aparente (AQY): relaciona el número de electrones convertidos con el número de fotones incidentes a una longitud de onda definida. Para la evolución de hidrógeno, un proceso de dos electrones, se aplica AQY(λ) = 2 × N(H2) / N(fotones, λ) (PMC, A multimodal flow reactor for photocatalysis 2023). Esta magnitud requiere tanto la longitud de onda como el flujo de fotones medido en ella; el «rendimiento cuántico» sin estos valores no constituye una métrica completa.

Eficiencia de conversión solar a hidrógeno (STH): relaciona la energía química almacenada en el hidrógeno producido con la energía solar incidente: STH = [velocidad de formación de H2 (mol/s) × ΔG (237 000 J/mol)] / [irradiancia (W/m²) × superficie irradiada (m²)] (Sayago-Carro et al., RSC Applied Interfaces 2024). ΔG denota la entalpía libre de reacción de la disociación del agua. Para que el valor sea comparable, la medición debe realizarse bajo un espectro de referencia normalizado, típicamente el espectro AM1.5G a una irradiancia de 1000 W/m² «un sol», y sin polarización externa ni reactivo sacrificial. Los valores de STH obtenidos en experimentos con reactivo sacrificial o bajo una irradiancia no referenciada no son directamente comparables con valores de STH genuinos de un sol.

La consecuencia práctica de las tres magnitudes es idéntica: sin una medición del flujo de fotones en el lugar de la reacción resuelta espectralmente y calibrada con trazabilidad metrológica, no es posible determinar de forma reproducible ni el AQY ni el STH.

1. Suposiciones. Un fotocatalizador de g-C3N4 tiene una banda prohibida de Eg ≈ 2,7 eV (Nature Scientific Reports 2017).

2. Fórmula. λ [nm] = 1240 / Eg [eV] (a partir de E = h·c/λ).

3. Cálculo. λ = 1240 / 2,7 ≈ 459 nm.

4. Resultado. El borde de absorción se sitúa en torno a 459 nm.

5. Interpretación técnica. Los fotones con una longitud de onda superior a unos 459 nm portan menos energía que la banda prohibida y no pueden excitar el g-C3N4. Por ello, una medición de AQY en este material no debe basarse en la irradiancia total de una lámpara de xenón, sino exclusivamente en el flujo de fotones espectral en el intervalo de aproximadamente 300 a 459 nm. Si el mismo catalizador se evalúa por error frente al flujo de fotones de todo el espectro visible e infrarrojo, el resultado es un rendimiento cuántico sistemáticamente demasiado bajo y no comparable.

Investigación en energía y materiales: universidades e institutos de investigación desarrollan nuevos semiconductores, heteroestructuras y cocatalizadores con el objetivo de alcanzar valores STH más altos. El factor decisivo aquí es la caracterización espectralmente resuelta de nuevas muestras de capa fina y en polvo, ya que solo esto permite obtener conclusiones fiables sobre la posición del band-gap y el aprovechamiento real de fotones.

Economía del hidrógeno verde y almacenamiento de energía: los procesos fotocatalíticos se discuten como una alternativa potencialmente menos intensiva en capital frente a la electrólisis, ya que no requieren una generación de electricidad independiente. El aspecto crítico aquí es la transferencia de las condiciones de laboratorio a las condiciones al aire libre, dado que la luz solar natural varía en intensidad y espectro según la hora del día y el clima.

Tecnología del agua y del medio ambiente: en el tratamiento fotocatalítico, los contaminantes presentes en las aguas residuales se utilizan a menudo simultáneamente como reactivo de sacrificio, combinando así la degradación de contaminantes con la generación de hidrógeno. El parámetro de proceso crítico es la concentración de contaminantes, ya que afecta tanto a la absorción de luz en el medio como a la disponibilidad de especies oxidables; una visión más amplia de los procesos UV en este sector se ofrece en la página de aplicación Tecnología del agua y del medio ambiente.

Investigación en semiconductores y procesos afines a la fotovoltaica: las células tándem fotoelectroquímicas, que combinan principios fotocatalíticos y electroquímicos, comparten con la fotocatálisis pura la necesidad de una caracterización estandarizada del simulador solar según los criterios de coincidencia espectral, uniformidad y estabilidad temporal.

Laboratorios de ensayo y calibración: a medida que crece el número de publicaciones sobre nuevos fotocatalizadores, también aumenta la necesidad de una tecnología de medición de irradiancia resuelta en longitud de onda y calibrada con trazabilidad metrológica, para que los valores AQY y STH publicados sean comparables entre distintos laboratorios.

Para sistemas sin polarización externa que aun así aspiran a la división completa del agua, se investigan cada vez más los conceptos de esquema Z con dos fotoabsorbentes separados: uno de los absorbentes se ajusta a la evolución de hidrógeno, el otro a la evolución de oxígeno, acoplados mediante un par redox reversible en disolución. Estos sistemas pueden realizarse en reactores de tipo raceway de gran superficie, en los que las partículas fotoactivas se suspenden en dos volúmenes apilados (Collins et al., Energy & Environmental Science 2025).

Para fuentes de agua salina o contaminada, resultan de interés materiales resistentes a la corrosión como las aleaciones de InGaN; utilizando agua de mar o agua del grifo, se lograron con ellas valores STH de alrededor del 7 %, frente al 9,2 % para agua de alta pureza en condiciones por lo demás idénticas (Zhou et al., Nature 2023). Para aplicaciones con luz solar fuertemente concentrada, la temperatura de servicio cobra una importancia adicional, ya que un aumento deliberado de la temperatura puede suprimir la reacción inversa, al tiempo que plantea exigencias propias a los materiales del reactor y a las juntas.

La base de cualquier determinación fiable de la eficiencia es la irradiancia espectral en el punto de reacción, a partir de la cual puede derivarse el flujo de fotones espectral, la magnitud sobre la que se basan tanto el AQY como el STH. Además, la actinometría química, por ejemplo con ferrioxalato de potasio como actinómetro estándar recomendado por la IUPAC, proporciona una medida de referencia independiente e integradora del flujo de fotones directamente dentro del volumen de reacción, en la geometría real del reactor (HAL, Accurate Measurement of the Photon Flux 2015).

Si basta con una medición de banda ancha o si se requiere una medición espectral depende de la cuestión concreta: para el monitoreo a largo plazo de un sistema ya caracterizado y estable —por ejemplo, para detectar el envejecimiento de la lámpara durante una serie experimental de varias semanas—, suele bastar con un radiómetro de banda ancha calibrado junto con el sensor adecuado. Para comparar diferentes materiales catalizadores, especialmente cuando se contraponen sistemas activos en UV y en luz visible, se requiere en cambio una medición espectralmente resuelta con un espectrorradiómetro que cubra en una sola medición el rango UV, visible y similar al solar. Las mediciones espaciales en varias posiciones resultan necesarias en reactores tipo panel o raceway de gran superficie, para captar las inhomogeneidades de la irradiancia sobre la superficie; las mediciones en serie temporal están indicadas cuando debe distinguirse la degradación del catalizador de una fuente de luz en declive. Las incertidumbres de medición relevantes surgen, entre otras cosas, del desajuste espectral del sensor respecto a la fuente real, así como de la trazabilidad metrológica de la calibración del propio instrumento de medida.

En configuraciones automatizadas de fotorreactores, por ejemplo en ensayos de cribado con muestras de catalizador cambiantes, el monitoreo radiométrico continuo no solo sirve como documentación, sino que actúa como magnitud de realimentación: si la irradiancia medida se desvía de una banda de tolerancia almacenada, esto apunta a un envejecimiento de la lámpara, a la contaminación de las ventanas ópticas o a un desalineamiento de la muestra, antes de que a partir de ello se calculen valores de eficiencia erróneos. El acoplamiento de las lecturas ópticas con el análisis de gases en línea permite registrar de forma sincronizada en el tiempo la tasa de evolución de hidrógeno y la irradiancia, lo que también revela efectos dependientes de la intensidad, como una disminución del rendimiento cuántico a irradiancias elevadas. Para la reproducibilidad entre diferentes laboratorios —por ejemplo, en ensayos interlaboratorio para validar nuevos fotocatalizadores— el registro digital completo de las condiciones ópticas límite es tan importante como los propios datos de rendimiento, ya que los valores de AQY y STH solo pueden reconstruirse con condiciones de irradiación completamente documentadas.

Además de la medición óptica, la determinación del AQY y del STH requiere un análisis cuantitativo de gases, generalmente mediante cromatografía de gases, para captar por separado el hidrógeno, el oxígeno y, en su caso, el nitrógeno, y comprobar la relación estequiométrica (Wang et al., Joule 2021). Para el monitoreo continuo de un rango de longitud de onda definido a lo largo de una serie experimental prolongada, puede ser suficiente un radiómetro como el RMD Pro con el sensor adecuado; la selección se describe en Selección de sensores UV. Para una caracterización espectral completa —por ejemplo, al caracterizar por primera vez un nuevo reactor o al comparar directamente varias fuentes de luz— se necesita un espectrorradiómetro como el SR900, que cubre aproximadamente de 200 a 1100 nanómetros, para captar en una sola medición fuentes UV, visibles y similares a la solar. La energía fotónica y la dosis para sus propios ejemplos de cálculo pueden trabajarse con las UV Tools.

Las siguientes seis referencias abarcan el contexto de mercado, los récords de eficiencia, la metodología de ensayo, las definiciones de eficiencia, la tecnología de reactores y la estandarización de la medición.

Pone en contexto la demanda mundial de hidrógeno y la cuota de los procesos de bajas emisiones, y sirve en este texto como indicador de mercado, ya que no existe un tamaño de mercado propio para los procesos fotocatalíticos en sentido estricto.
IEA (2025): Global Hydrogen Review 2025. International Energy Agency, París.

Alcanza una eficiencia solar-hidrógeno de más del 9 % con un fotocatalizador de nitruro de galio e indio, entre otras cosas mediante un control deliberado de la temperatura para suprimir la reacción inversa.
Zhou, Peng, et al. (2023): Solar-to-hydrogen efficiency of more than 9% in photocatalytic water splitting. Nature 613, 66–70.

Resume propuestas de estandarización para acreditar la eficiencia de fotocatalizadores particulados y argumenta por qué son necesarios protocolos de ensayo para la irradiación y el análisis de gases con el fin de garantizar la comparabilidad de los resultados.
Wang, Zhiliang, et al. (2021): Efficiency Accreditation and Testing Protocols for Particulate Photocatalysts toward Solar Fuel Production. Joule 5.

Clasifica de forma sistemática las definiciones de eficiencia utilizadas en la bibliografía sobre la producción fotocatalítica de hidrógeno, incluidos el rendimiento cuántico y la STH.
Sayago-Carro, Rocío, et al. (2024): Efficiency in photocatalytic production of hydrogen. RSC Applied Interfaces.

Proporciona una primera evaluación cuantitativa de costes y de CO2 para un concepto de reactor de tipo raceway con esquema Z escalable, y analiza su competitividad frente a la electrólisis.
Collins, Stephanie, et al. (2025): Levelized cost and carbon intensity of solar hydrogen production via water splitting using a scalable and intrinsically safe photocatalytic Z-scheme raceway system. Energy & Environmental Science.

Define criterios de coincidencia espectral, uniformidad espacial y estabilidad temporal de los simuladores solares, que también se aplican por analogía a la caracterización STH de sistemas fotocatalíticos.
IEC (2020): IEC 60904-9:2020 – Photovoltaic devices – Part 9: Classification of solar simulator characteristics. International Electrotechnical Commission, Ginebra.

El buscador de publicaciones recoge todas las publicaciones sobre la producción de hidrógeno que conocemos, con posibilidad de búsqueda por dispositivo, ámbito y palabra clave.

Bajo el tema Producción de hidrógeno, el buscador de publicaciones enumera actualmente 14 trabajos; los seis siguientes tratan la generación fotocatalítica de hidrógeno en sentido más estricto y muestran repetidamente de forma explícita que la propia fuente de luz es una variable experimental.

Compara el mismo proceso bajo diferentes tipos de lámpara en un fotorreactor por lotes y en un microfotorreactor: evidencia directa de que la fuente es una variable experimental.
Meinhardová, Vendula, et al. "Role of lamp type in conventional batch and micro-photoreactor for photocatalytic hydrogen production." Frontiers in Chemistry 11 (2023): 1271410.

Relaciona el rendimiento de hidrógeno con la estructura de nanohilos dopados con nitrógeno bajo iluminación similar a la solar.
Attalario, Evan, et al. "Structure-Dependent Performance of N-Doped TiO2 Nanowires toward Efficient Solar-Driven Hydrogen Production." Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 21.2 (2026): 490–499.

Examina cómo interactúan las uniones múltiples y los grupos hidroxilo superficiales en una heteroestructura de cobre y titanio.
Subagyo, Riki, et al. "Synergetic effects of multiple junction and surface hydroxyl in Cu/CuO/Cu2O/TiO2 heterostructures towards highly efficient photocatalysts for hydrogen generation." Materials Science for Energy Technologies 8 (2025): 131–142.

Utiliza una estructura dendrítica de sílice y titania para aumentar la superficie accesible por volumen irradiado.
Subagyo, Riki, et al. "Dendritic Fibrous Nano Silica–Titania for High-Performance Photocatalytic Hydrogen Evolution." ACS Applied Energy Materials (2025).

Muestra en partículas porosas de aleación sobre nanotubos hasta qué punto el cocatalizador determina la formación de hidrógeno.
Nguyen, Nhat Truong, et al. "Providing significantly enhanced photocatalytic H2 generation using porous PtPdAg alloy nanoparticles on spaced TiO2 nanotubes." International Journal of Hydrogen Energy 44.41 (2019): 22962–22971.

Revisa estrategias para mejorar la disociación fotocatalítica del agua.
Fajrina, Nur, and Muhammad Tahir. "A critical review in strategies to improve photocatalytic water splitting towards hydrogen production." International Journal of Hydrogen Energy 44.2 (2019): 540–577.

Los dos trabajos restantes de este tema tratan un proceso relacionado pero distinto (generación electroquímica microbiana de peróxido de hidrógeno en lugar de disociación fotocatalítica del agua) y deliberadamente no se incluyen aquí; la lista completa está disponible en Publicaciones de clientes – clasificación temática.

¿Cómo funciona la producción fotocatalítica de hidrógeno?
Un semiconductor absorbe fotones con una energía superior a su banda prohibida, formando pares electrón-hueco. Si estos portadores de carga alcanzan la superficie del catalizador sin recombinarse, los electrones reducen los protones a hidrógeno mientras que los huecos oxidan el agua a oxígeno. Los cocatalizadores acelerán estas reacciones superficiales y, con ello, reducen las pérdidas por recombinación.

¿Qué longitud de onda es adecuada para un fotocatalizador determinado?
Solo los fotones con una energía superior a la banda prohibida del material pueden generar portadores de carga. Para el TiO2 (aprox. 3,2 eV) se trata de longitudes de onda inferiores a unos 390 nm, para el g-C3N4 (aprox. 2,7 eV) de longitudes de onda inferiores a unos 460 nm. La longitud de onda umbral puede estimarse mediante λ [nm] ≈ 1240 / Eg [eV].

¿Qué flujo de fotones se requiere para un experimento?
No existe un valor objetivo universal; lo importante es que el flujo espectral de fotones que realmente llega al catalizador sea conocido y esté documentado. Para comparaciones de STH se suele utilizar un valor de referencia de 1000 W/m² bajo el espectro AM1.5G, y para las mediciones de AQY, el flujo de fotones en la longitud de onda estudiada.

¿Cuál es la diferencia entre la disociación fotocatalítica y la fotoelectroquímica del agua?
En la disociación fotocatalítica del agua, la reducción y la oxidación tienen lugar sobre las mismas partículas o sobre partículas en suspensión, sin ningún circuito externo. En la variante fotoelectroquímica, el fotoánodo y el cátodo están separados espacialmente y suelen conectarse mediante una pequeña tensión de polarización externa, lo que en teoría permite obtener eficiencias más altas, pero requiere un montaje más complejo.

¿Por qué un fotocatalizador no produce hidrógeno a pesar de contar con irradiancia suficiente?
Entre las posibles causas se encuentran una energía fotónica insuficiente respecto a la banda prohibida, una recombinación dominante de los portadores de carga, la ausencia de un cocatalizador adecuado o su falta de idoneidad, una geometría del reactor desfavorable con un fuerte sombreado óptico, o una reacción inversa paralela de hidrógeno y oxígeno.

¿Cómo se mide el rendimiento cuántico aparente?
El AQY se obtiene a partir de la relación entre el número de electrones convertidos y el número de fotones incidentes a una longitud de onda definida: AQY(λ) = 2 × N(H2) / N(fotones, λ). El flujo de fotones se determina generalmente con un espectrorradiómetro o mediante actinometría química con ferrioxalato de potasio.

¿Qué tecnología de medición es adecuada para comparar catalizadores activos en UV y en luz visible?
Se requiere un espectrorradiómetro que capture en una sola medición el rango UV, visible y similar al solar, ya que una medición puramente de banda ancha no distingue entre los componentes espectrales que cada uno de los dos materiales puede aprovechar realmente.

¿Qué factores limitan la ampliación de escala de laboratorio a escala piloto?
Además de la estabilidad del material y los costes del reactor, resulta decisiva la transferibilidad de la caracterización de la luz: las condiciones al aire libre, con un espectro solar fluctuante, no pueden compararse directamente con los resultados de laboratorio obtenidos bajo un simulador solar estabilizado sin registrar la irradiancia espectral real in situ.

Esta aplicación está estrechamente relacionada, desde el punto de vista técnico, con campos vecinos de la medición de radiación óptica: por ejemplo, la fotocatálisis (física de semiconductores y sistemática de banda prohibida compartidas, reacción objetivo distinta) y la tecnología del agua y del medio ambiente (principios de reactor compartidos, a veces con degradación de contaminantes y generación de hidrógeno acopladas). El balance de fotones, el rendimiento cuántico y la actinometría se presentan de forma general en fotoquímica. El panorama completo se encuentra en la vista general de aplicaciones UV.

La longitud de onda, el flujo de fotones y el área irradiada determinan si un rendimiento cuántico o un valor STH declarado es trazable y comparable con otros trabajos. Quien desee caracterizar espectralmente sus propios fotorreactores, seleccionar fuentes de luz para un montaje experimental o comprobar la plausibilidad de una serie de medición existente, puede dirigirse al laboratorio de calibración de Opsytec Dr. Gröbel GmbH para obtener una evaluación experta de las condiciones ópticas de contorno. Póngase en contacto con nosotros para su tarea de medición o ensayo.