Empleo de materiales No-óxidos en polvos y en películas para la producción de H₂ y combustibles alternativos - López Martínez, Sergio David (2019)
Propósito y método del estudio: hoy en día, la fotocatálisis representa una alternativa para la obtención de combustibles como H2, CH3OH, CH2O2 etc., de forma limpia. Sin embargo, uno de los problemas que limita este proceso es el fenómeno de recombinación de cargas en el material semiconductor. Ante este panorama, una de las estrategias para disminuir este fenómeno es desarrollar películas de multicapa compuesta por diversos materiales. En este trabajo se buscó desarrollar un sistema de reacción fotocatalítico eficiente, económico y sustentable, con base en fotocatalizadores no óxidos, como el TiN, SiC y SnS, que en combinación con el LiAlSiO4 permita la formación de compósitos en polvos para que, depositados en forma de película, sean capaces de producir combustibles de base solar como el H2, CH3OH o HCOOH. Estos productos de reacción podrán ser empleados como vector energético o directamente como combustibles alternativos en beneficio de la sociedad. Por lo anterior, se evaluó la actividad fotocatalítica de polvos preparados por molienda mecánica y películas monocapa (TiN-LiAlSiO4, SiC-LiAlSiO4 y SnS), y multicapa (TiN-LiAlSiO4/SnS, SiC-LiAlSiO4/SnS), preparadas por métodos de impregnación y SILAR. Métodos sencillos, rápidos y baratos. Además, en el caso de las películas fueron depositadas partículas bimetálicas de Au-Pd, las cuales actuaron como cocatalizador. Todos los materiales estudiados (polvos y películas) fueron caracterizados mediante difracción de rayos-X (DRX), microscopia electrónica de barrido (MEB), energía de banda prohibida (UV-vis), fotoluminiscencia (PL) y perfilometría. Una vez obtenidos y caracterizados estos materiales, fueron empleados como material activo en las reacciones de producción de H2 y reducción de CO2 bajo luz solar simulada e irradiación UV, respectivamente. Lo anterior con la finalidad de establecer la relación entre la actividad fotocatalítica y las propiedades estructurales, electrónicas, térmicas y texturales, de los polvos y películas sintetizados en este trabajo. Conclusiones y contribuciones: En el presente trabajo, se logró llevar a cabo la preparación de una serie de materiales en polvos y en películas, a base de compuestos no óxidos como el TiN, SiC y SnS, que en combinación con el LiAlSiO4 permitieron la formación de diversos compositos (TiN-LiAlSiO4, SiCLiAlSiO4, SnS, TiN-LiAlSiO4/SnS, SiC-LiAlSiO4/SnS), así como estos mismos compositos impregnados con AuPd como cocatalizador. Estos materiales se probaron en dos sistemas de reacción fotocatalíticos eficientes, económicos y sustentables, desarrollados e implementados en nuestros laboratorios. Uno de ellos consistió en un reactor de cuarzo acoplado a un cromatógrafo de gases para la reacción de producción de H2, mientras que el otro estuvo conformado de un reactor de cuarzo acoplado a un espectrofotómetro de infrarrojo, para producir combustibles de base solar. De acuerdo con los resultados obtenidos, todos los materiales preparados correspondieron con las fases cristalinas indicadas para cada composito de acuerdo con sus patrones de difracción de rayos-X. Además, se encontró que la morfología observada por MEB dependió del compuesto presente en mayor proporción en cada uno de los compositos preparados. Asimismo, en el caso de las películas se observó en general una buena distribución de las partículas sobre la superficie de los sustratos de vidrio utilizados, y el espesor estuvo en función del número de capas depositadas. En relación con los valores de Eg, se encontró que estos dependieron del compuestos presente en mayor proporción en el caso de los materiales en polvo, mientras que en algunas películas los valores de Eg variaron en función del espesor. Se logró encontrar una relación entre los espectros de fotoluminiscencia de cada uno de los materiales estudiados con respecto a su actividad fotocatalítica, donde se observó que la presencia de LiAlSiO4 provoca una mayor intensidad en los espectros de emisión, lo cual está asociado a una mayor recombinación del par huecoelectrón, afectando la actividad fotocatalítica de manera negativa. Mientras que una mayor presencia de TiN o SiC en los compositos favorece la actividad fotocatalítica bajo luz solar simulada. De igual manera, se encontró que en el caso de los polvos existe una relación entre los valores de expansión térmica de cada uno de los compositos con respecto a su actividad fotocatalítica, donde se observó que los compositos que presentan valores de expansión térmica cercana a cero son los que muestran la mejor actividad fotocatalítica. También, se observó que las películas que contenían mayor cantidad de TiN presente en las películas presentaron los valores más altos de producción de H2. En este caso la película identificada como T90:L10 alcanzó una producción de H2 de 205 µmoles H2 /m2 bajo luz solar simulada. Mientras que la película multicapa (T20-L80/SnS) con AuPd alcanzó una producción de 99 µmoles H2/m2 bajo luz solar simulada. Por otro lado, en las películas de SiC-LiAlSiO4, la muestra identificada como S40-L60 alcanzó una producción de 142 µmoles H2/m2 bajo luz solar simulada. Asimismo, para el caso de las películas multicapa se observó que se alcanzó una producción de 104 µmoles H2/m2 para la muestra S80-L20/SnS. De forma general se encontró que el espesor es un parámetro que influye en la actividad fotocatalítica de las películas, encontrando que con espesores delgados las películas muestran mejor actividad. Por otra parte, se determinó que el sistema de reacción de reducción de CO2 implementado opera de manera adecuada, permitiendo el seguimiento por IR de la reacción, tanto en fase gas como en fase líquida. Sin embargo, tal parece que, bajo las condiciones de operación de las pruebas en el sistema de reacción implementado, no es posible la detección de los productos generados, debido a que probablemente se encuentran en pequeña proporción. Por lo que se concluye que es necesario optimizar los parámetros de operación de este sistema, así como adicionar algún agente de sacrificio y contar con la implementación de un gas inerte que permita arrastrar los productos generados para su correcta detección.