Desarrollo de materiales con estructura de tipo túneles rectangulares, para la producción de combustibles alternos. - Garay Rodríguez, Luis Felipe (2019)
Como resultado de los diferentes problemas medioambientales debidos al incremento de gases tóxicos en la atmósfera por el uso de combustibles fósiles a lo largo de los años, diferentes alternativas se han desarrollado buscando mitigar las consecuencias de esto en el cambio climático, además de la búsqueda de nuevas fuentes de energía renovables que permitan satisfacer las mismas necesidades sin provocar daños al ambiente. Dentro de las diferentes técnicas desarrolladas, una de las más prometedoras en la actualidad es la fotocatálisis heterogénea, la cual, dentro de las múltiples ventajas que presenta, es la posible utilización de la radiación solar para poder ser llevada a cabo minimizando con esto los costos energéticos. Dentro de las diferentes aplicaciones para las que puede ser empleada esta tecnología, en este trabajo de investigación se hace énfasis en su uso para la conversión fotocatalítica de H2O y la foto-reducción de CO2, buscando obtener combustibles de base solar con un bajo o nulo contenido de carbono, respectivamente. Esta ideología surge tomando en cuenta que el hidrógeno obtenido de la conversión del agua puede ser utilizado como un vector energético, gracias a su alto poder calórico, comparado con el resto de los combustibles; aunado a que su combustión no genera gases de efecto invernadero y, además, que los productos obtenidos de la foto-reducción de CO2 se ha observado que pueden ser empleados en celdas de combustible (CH3OH) o de igual manera, usarse como precursores en la síntesis de otros compuestos empleados en procesos industriales (HCHO). Para este propósito se sintetizaron fotocatalizadores con estructura de tipo túneles rectangulares de metales alcalinos, como Na y K y alcalinotérreos como Ba, por el método cerámico tradicional, sol gel y sales fundidas, reportados previamente como buenos candidatos para este tipo de reacciones; sobre todo por su morfología unidimensional. También se realizaron modificaciones en el método sol gel, tales como el ajuste de pH, durante la formación del sol, así como su tratamiento con ultrasonido y microondas, buscando obtener diferencias entre las partículas obtenidas que favorezcan los procesos reductivos. Los titanatos estudiados fueron también impregnados con óxidos metálicos MO (M = Cu, Ni, Fe, Co, Ag), con la intención de modificar sus propiedades ópticas y texturales, así como también de formar hetero-estructuras que favorezcan la movilidad electrónica en la superficie, incrementando así la actividad fotocatalítica de los materiales puros para la producción de hidrógeno y reducción de CO2; así como también provocar cambios en la selectividad hacia la formación de los diferentes productos. Todos los materiales fueron adecuadamente caracterizados por técnicas como difracción de rayos X, microscopía, espectroscopia de reflectancia difusa y fotoluminiscencia, entre otros, y evaluados para las reacciones fotocatalíticas, empleando radiación UV y visible, dependiendo del caso estudiado. Dentro de los resultados más sobresalientes obtenidos, se encontró que el uso de CuO como co-catalizador, depositado en la superficie de los titanatos con estructura tipo túnel favoreció la transferencia de las cargas foto-generadas, produciendo los máximos rendimientos en la producción de H2 comparado cuando el titanato se evaluó sin presencia de co-catalizador. Por ejemplo, en el caso del Na2Ti6O13 la producción de hidrógeno se incrementó 3.5 veces (120 vs 416 µmolg-1 h -1 ), mientras que para el Ba3Li2Ti8O20 9.6 (25 vs 240 µmolg-1 h -1 ). También se observó que algunas modificaciones micro-estructurales generadas como resultado de asistir el método sol gel favorecieron los procesos de absorción de la radiación y de la adsorción de especies reaccionantes, incrementando la producción de hidrógeno. Por ejemplo, como resultado de la síntesis del K2Ti6O13 asistida con ultrasonido se lograron formar barras más largas, comparadas con las obtenidas por una síntesis sol-gel convencional, incrementando de 8 a 10 milimoles por gramo la producción de hidrógeno. Para el caso del Na2Ti3O7, esta es la primera vez que este material se reporta para pruebas de producción de hidrógeno en fase gaseosa en un reactor de flujo continuo, obteniendo producciones competitivas cuando se depositan óxidos de Ni y Pt en la superficie. Además, se hizo un estudio de cómo afecta el orden en el depósito de ambos óxidos metálicos en la superficie del catalizador, determinando que el depósito de Pt antes que Ni propicia una superficie más reactiva, comparada con el orden inverso de depósito. Como resultado del proceso de foto-reducción de CO2 se obtuvieron diferentes compuestos orgánicos, tales como CO, CH4, CH3OH, y HCHO, siendo sus rendimientos y selectividades dependientes del catalizador y co-catalizador empleados en el proceso. Catalizadores como el Na2Ti6O13 y Ba3Li2Ti8O20 sólo lograron producir formaldehído (95 y 50 µmolg-1 , respectivamente), detectado en fase acuosa; compuesto termodinámicamente más sencillo de obtener comparado con el metanol o metano, siendo su producción incrementada con la presencia de CuO como co-catalizador. Con el uso del K2Ti6O13 sin la presencia de ningún co-catalizador sí resultaron compuestos como formaldehído, metanol y metano, siendo este comportamiento asociado de nueva cuenta a las propiedades microestructurales obtenidas como resultado de asistir el método sol-gel con ultrasonido y microondas. Además, el K2Ti6O13 fue dopado con metales de transición como Cu, Ni y Co; los cuales, debido a su naturaleza, disminuyeron el bandgap de este material, logrando ser activado por radiación visible, modificando su selectividad hacia la producción de formaldehído (≈ 90 % usando Co), metanol (≈ 35 % usando Cu) e hidrógeno (≈ 80 % usando Ni) comparada con el titanato puro que presentó baja actividad para la foto-reducción de CO2 usando este tipo de radiación. Finalmente, el estudio del Na2Ti3O7, mostró un incremento en la selectividad hacia la producción de metano (≈ 35 % usando CuO) y CO (≈ 35 % usando Co3O4), comparado contra el titanato puro que presenta actividad casi nula para la producción de estos compuestos. De todos los materiales estudiados, se determinó que el K2Ti6O13 es el más eficiente, debido a las distorsiones que presenta en su estructura cristalina, la longitud promedio de sus barras mucho mayor, comparada con el resto de los materiales, y su morfología unidimensional. Los resultados obtenidos en este trabajo son competitivos con los reportes previos de la literatura, siendo en algunos casos mayores, y presentando, además, la ventaja de que se propone el uso de métodos de química suave para la síntesis de los catalizadores, así como también el uso de óxidos metálicos abundantes, estables y de bajo costo como cocatalizadores.