Resumen de Photocatalytic reactions: Mechanistic and kinetic implications
La Fotocatálisis Heterogénea con Dióxido de Titanio (TiO2) ha sido ampliamente estudiada en los últimos 30 años. Como resultado de este esfuerzo de investigación se han obtenido grandes avances en la comprensión de los fenómenos fundamentales involucrados en el proceso y se ha logrado la aplicación exitosa de varios dispositivos con tecnología fotocatalítica en áreas como la remediación medioambiental, la producción de energía renovable, y el diseño de materiales con propiedades de “autolimpieza”. Sin embargo, la comunidad científica en el campo de la fotocatálisis reconoce que existen diversas cuestiones de carácter fundamental sin resolver. En las décadas de los 80 y 90 diversos mecanismos de reacción y modelos cinéticos fueron propuestos para ser empleados en la interpretación del considerable conjunto de datos experimentales reportados acerca de reacciones de fotooxidación con TiO2. A pesar del gran avance en el conocimiento de aspectos fundamentales sobre algunas de estas cuestiones, varios supuestos, tomados como verdades por la comunidad científica, fueron puestos en duda debido a los descubrimientos realizados en la primera década de este siglo en el campo de los estudios de ciencia de superficies aplicados a cristales de TiO2. En particular, se demostró que el catalizador no puede considerarse sólo como partículas desprovistas de estructura en la superficie. Al contrario, la estructura química de la superficie del catalizador y su interacción con las moléculas presentes en el medio de reacción es un factor determinante para entender los eventos que se desencadenan debido a la excitación del catalizador (TiO2). La presente tesis doctoral se propone elucidar interpretaciones alternativas a la cinética y mecanismos de las reacciones de oxidación fotocatalítica tomando en cuenta los novedosos descubrimientos descritos anteriormente. Para desarrollar esta tarea se ha realizado un exhaustivo análisis de la literatura científica sobre la química de superficie del TiO2, y se desarrolló un estudio experimental sobre la interacción del TiO2 con diversas moléculas orgánicas, la relación de estas interacciones con la cinética de fotooxidación, y sobre algunos aspectos fundamentales del mecanismo de fotooxidación de diversos compuestos modelos. Estos temas se discuten en detalle en cuatro publicaciones y tres manuscritos que serán enviados a publicar en un futuro cercano. Los resultados aquí reportados confirman el rol crucial que desempeña la superficie del TiO2 en los mecanismos y la cinética de transferencia de carga interfacial de las reacciones fotocatalíticas. Específicamente, se dilucidó el rol desempeñado por los oxígenos de la superficie de la red cristalina del TiO2 en el mecanismo de reacción. Además, se demostró que el mecanismo de trasferencia de carga interfacial depende fuertemente del grado de interacción electrónica entre la superficie del semiconductor y la molécula orgánica a fotooxidar. Los hallazgos arriba descritos aportan nuevas ideas al debate científico actual sobre aspectos fundamentales de la fotocatálisis con TiO2. De otra parte, los nuevos enfoques sobre la cinética y mecanismos de las reacciones fotocataliticas que se reportan en esta tesis puede proporcionar una base más racional para el diseño de catalizadores más eficientes que puedan ser empleados en aplicaciones prácticas.
