Desarrollo de materiales fotocatalíticos mediante formulaciones sol-gel y estructuras metal-orgánicas de Ti(IV) para su aplicación en la degradación de materia orgánica y reducción de CO2

Resumen

El crecimiento económico de la sociedad cada vez tiene un mayor impacto en la degradación del medio ambiente, uno de los principales problemas para la humanidad. Este crecimiento conlleva un incremento en la producción y el consumo de recursos generando un incesante aumento de los contaminantes. Algunas de las evidencias más importantes de la contaminación se encuentran en el cambio climático promovido por las emisiones de gases de efecto invernadero y la degradación de recursos hídricos y suelos.En respuesta a esta problemática, en esta Tesis se ha abordado el desarrollo de materiales fotocatalíticos basados en titanio para la eliminación de contaminantes acuosos y la conversión de CO2, uno de los principales gases de efecto invernadero. La fotocatálisis se presenta como una atractiva tecnología verde. El funcionamiento de estos materiales se basa en la absorción de fotones de luz para llevar a cabo las reacciones químicas de oxidación y reducción. La fuente de radiación puede ser artificial o natural, siendo este uno de los puntos fuertes de este tipo de tecnología ya que puede funcionar con una fuente de energía natural como es la luz del sol. El método sol-gel proporciona una ruta de síntesis ydeposición muy versátil que, unido al concepto de las estructuras metal-orgánicas, ofrece un abanico de posibles modificaciones para la mejora de las propiedades de estos materiales buscando incrementar su actividad fotocatalítica.Se presenta en primer lugar una serie de recubrimientos fotocatalíticos de TiO2 poroso con un área superficial incrementada. La inmovilización del catalizador en forma de recubrimiento sobre un sustrato ha permitido la simplificación y mejora de un reactor microfluídico para la conversión de CO2 a metanol, respecto al enfoque común de los catalizadores soportados. Además, la cantidad de material utilizado en los recubrimientos fotocatalíticos es considerablemente inferior al de los soportados. Estos recubrimientos no solo poseen mayores rendimientos de conversión, sino que, al estar inmovilizados sobre un sustrato, su robustez permite un uso continuado del reactor sin decaimiento en su rendimiento.En segundo lugar, se analiza cómo la selección de la plantilla orgánica para la obtención de la porosidad en los recubrimientos modifica el área y la morfología de éstos. El incremento de la porosidad tiene una relación directa en la efectividad de los recubrimientos, viéndose aumentado el rendimiento de la eliminación de compuestos orgánicos en medio acuoso. La obtención de estos recubrimientos por el método de flujo laminar de ranura no otorga apenas cambios en las propiedades y cinéticas de degradación de la materia orgánica. Esto la postula como una técnica competitiva para la producción a gran escala de amplias superficies fotocatalíticas, ya que el menor uso de materias primas y disolventes supone ahorro en costes y mejora en cuestiones de seguridad, al reducir considerablemente la presencia de compuestos volátiles.Por último, se presenta un enfoque novedoso en la síntesis de materiales fotocatalíticos al combinar el método sol-gel y el concepto de las estructuras metal-orgánicas (MOFs). Se desarrollan aerogeles metal-orgánicos (MOAs) fotocatalíticamente activos en el rango visible del espectro solar, los cuales superan de forma notable el rendimiento de la transformación catalítica de CO2 en alcoholes descrito hasta la fecha para cualquier material. La diferencia microestructural de los MOAs respecto de los MOFs microcristalinos proporciona una mejor difusión de los reactivos y productos, siendo una característica clave en los elevados rendimientos obtenidos.Modificando ligeramente estas formulaciones, se pueden emplear para la obtención de recubrimientos metal-orgánicos de titanio. Al igual que en el caso anterior, estas capas son activas en el rango visible del espectro electromagnético y poseen un área superficial más elevada que los recubrimientos simples de TiO2. La síntesis de los recubrimientos metal-orgánicos se puede realizar a bajas temperaturas, lo que permite el empleo de materiales térmicamente frágiles como sustratos. Además, esto permite prescindir de capas protectoras de SiO2 cuando se emplean sustratos de vidrio, lo que simplifica el proceso de fabricación. Los recubrimientos metal-orgánicos exhiben cinéticas de degradación de la materia orgánica en medio acuoso superiores a las de las capas de TiO2, además de realizarse a valores de pH cercanos al del agua dulce.