Reducción fotocatalítica de CO2 con catalizadores basados en TIO2 y soportados sobre materiales carbonosos
- Autores: Verónica Rodríguez Pintor
- Directores de la Tesis: Jesusa Rincón Zamorano (dir. tes.), Rafael Camarillo Blas (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Castilla-La Mancha ( España ) en 2022
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: María Luz Sánchez Silva (presid.), Virginia Morales Pérez (secret.), Jonathan Albo Sánchez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Química y Ambiental por la Universidad de Castilla-La Mancha
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RUIdeRA
- Resumen
La situación actual en relación con la lucha contra el cambio climático hace que las investigaciones y políticas medioambientales sean más necesarias que nunca. La apuesta por la descarbonización energética y la reducción del CO2 antropogénico son la clave para minimizar las consecuencias de este grave problema. Así lo llevan reclamando los expertos desde hace décadas. Una de las tecnologías de mitigación de CO2 más novedosas y que más investigaciones está atrayendo es la fotorreducción de CO2, de manera que en esta tesis se plantean una serie de hipótesis con el objeto de aumentar su eficiencia. La fotorreducción del CO2 a productos químicos mediante el empleo de luz solar y agua como agente reductor se abre paso como una tecnología actualmente en fase de desarrollo, pero con un futuro prometedor. En ella se aúnan la utilización de recursos energéticos renovables de difícil almacenamiento como es la energía solar junto la generación de productos químicos o combustibles de alto valor, estabilidad y fácil manejo. No obstante, estos procesos de generación de “combustibles solares” necesitan de un fotocatalizador adecuado, pieza clave y objetivo principal de este trabajo (Capítulo 1).
En el Capítulo 2, se detallan los fundamentos del proceso de fotorreducción y las excelentes propiedades que presentan los fotocatalizadores basados en TiO2. El TiO2 podrá poseer propiedades fisicoquímicas y optoelectrónicas aún superiores si se somete a ciertas modificaciones como el soportado de las partículas de TiO2 sobre materiales carbonosos o el dopado de las mismas con especies metálicas y no metálicas. Estas modificaciones podrán traducirse en un rendimiento fotocatalítico mayor debido a que con ellas se promueven la mejora de algunas características fundamentales como, por ejemplo, una mejor separación y transferencia de las cargas implicadas en las reacciones fotorrédox y una mayor absorción de la luz.
Además, en base a estudios anteriormente realizados en este grupo de investigación, la síntesis de TiO2 en medio supercrítico potencia sus propiedades como fotocatalizador, dotándolo de una mejor absorbancia, superficie específica y cristalinidad, entre otras propiedades. Es por ello que también en esta tesis las síntesis de los catalizadores se hayan realizado con CO2 supercrítico.
La metodología y condiciones de operación empleadas tanto en la preparación de los catalizadores basados en TiO2 como en los experimentos fotocatalíticos se detallan en el Capítulo 3. En él también se incluyen las diferentes técnicas analíticas y de caracterización que se les realizaron a los catalizadores para conocer las propiedades que tienen influencia en el proceso de fotorreducción. Entre las propiedades analizadas se incluyen la fase cristalina, el tamaño de cristal, la superficie específica, la absorbancia en el UV-vis, la banda prohibida (Eg), la composición química en superficie, etc.
Los resultados obtenidos en los análisis de caracterización de los catalizadores, junto a su conversión y producción en los experimentos de fotorreducción de CO2 se incluyen en el Capítulo 4. Este mismo capítulo también recoge una discusión en la que se relacionan las diferentes propiedades de los materiales compuestos de TiO2 con sus resultados en la fotorreducción de CO2. Así, se demuestra que la tecnología supercrítica es capaz de sintetizar en un solo proceso fotocatalizadores binarios (partículas de TiO2 y material carbonoso) y ternarios (partículas de TiO2, material carbonoso y especies dopantes) de manera eficaz.
El soportado de las partículas de TiO2 sobre material carbonoso, nanotubos de carbono (CNT) y óxido de grafeno reducido (rGO), trae consigo numerosos beneficios: el crecimiento de cristales de TiO2 con un tamaño óptimo, lo que ayuda a una mejor transferencia de las cargas; una homogénea distribución de los cristales de TiO2 a lo largo de todo el material carbonoso, lo que evita el colapso de sitios fotoactivos; y un fuerte incremento de la absorbancia en el visible, permitiendo que fuentes lumínicas de menor energía puedan generar las cargas necesarias para la fotocatálisis, debido a que se reduce la banda prohibida de los catalizadores. En algunos casos, todas estas propiedades podrán verse mejoradas con el dopaje metálico y no metálico con Cu y N, lo cual contribuye a una mejor separación y transferencia de las cargas. Todas estas consideraciones se resumen en el Capítulo 5.
Por último, en el Capítulo 6, se describen los planes y perspectivas futuras tanto de la investigación de los fotocatalizadores basados en TiO2 como de la tecnología fotocatalítica investigada en este trabajo.
