Síntesis de catalizadores híbridos (MOFS-óxidos-nanopartículas metálicas) para la conversión fotocatalítica de CO2
Fecha
2021Autor
Versión
Acceso abierto / Sarbide irekia
Tipo
Trabajo Fin de Máster/Master Amaierako Lana
Impacto
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nodoi-noplumx
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Resumen
La captura y utilización del CO2 es una de las líneas estratégicas a seguir para lograr el desarrollo
de una economía de bajas emisiones de carbono. Dentro de las múltiples vías de actuación para intentar
alcanzar este objetivo, este trabajo se centra en el desarrollo de nuevos fotocatalizadores para la
conversión catalítica de CO2 a combustibles renovables. La idea de trabajo se basa en la sí ...
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La captura y utilización del CO2 es una de las líneas estratégicas a seguir para lograr el desarrollo
de una economía de bajas emisiones de carbono. Dentro de las múltiples vías de actuación para intentar
alcanzar este objetivo, este trabajo se centra en el desarrollo de nuevos fotocatalizadores para la
conversión catalítica de CO2 a combustibles renovables. La idea de trabajo se basa en la síntesis de un
material multifuncional que aúne buenas propiedades de adsorción del CO2 y que actúe como catalizador
de fotorreducción de dicho gas. Con este objetivo se han sintetizado distintos materiales híbridos MOFóxido-metal. Los MOFs (metal organic frameworks) que aportan la porosidad necesaria para una buena
adsorción del CO2 se han sintetizado utilizando el ligando orgánico ácido 1,3,5-bencenotricarboxílico y
óxidos de cobre, níquel y cobalto, empleando la técnica de siembra reactiva (reactive seeding) para
llevar a cabo la síntesis. Estos precursores metálicos fueron seleccionados por su alta actividad como
catalizadores de hidrogenación. Por último, se ha incorporado TiO2 como material fotoactivo para
mejorar la interacción de la luz con el material. Para la caracterización de los materiales se han utilizado
las siguientes técnicas: XRD, adsorción-desorción de nitrógeno a 77 K, espectroscopía FT-IR con ATR
y de absorción UV-Vis por reflectancia difusa, análisis termogravimétrico y microscopía electrónica
(TEM, SEM, STEM y EDX).
Mediante la estrategia de siembra reactiva, a partir de CuO, en condiciones suaves de reacción (50
℃, presión atmosférica y medio acuoso) se han obtenido híbridos de CuO/HKUST-1 con un alto grado
de cristalinidad y porosidad. En el caso del NiO se necesitan mayores temperaturas (150 ℃) para
reaccionar, dando lugar a compuestos con valores de superficie específica relativamente bajos (<100
m2
/g) cuyos patrones de difracción no han permitido identificar ninguna estructura. Empleando mezclas
de NiO y nitrato de níquel en etanol se han sintetizado híbridos MOF-NiO con mayor superficie
específica, pero con menor cristalinidad. En el caso de CoO, se ha logrado sintetizar en medio acuoso
un MOF muy similar al obtenido a partir de cloruro de cobalto, aunque con los valores de superficie
específica más bajos de entre todas las muestras analizadas. Ajustando la cantidad de dicho reactivo, se
ha logrado el correspondiente híbrido MOF/CoO. Finalmente, el tratamiento con isopropóxido de titanio
de los híbridos sintetizados ha permitido envolverlos en una capa rugosa de TiO2, provocando el
desplazamiento de las bandas de absorción UV-Vis hacia regiones del espectro menos energéticas.
Se ha comprobado que la presencia de óxidos metálicos en los MOFs favorece el proceso de
reducción del CO2 a metano cuando se hace pasar una corriente controlada de H2 y dióxido de carbono
sobre los catalizadores sintetizados. El rendimiento a CH4, tanto en presencia como en ausencia de luz,
aunque ha sido bajo, aumenta al incorporar TiO2. El material híbrido MOF-NiO-TiO2 ha resultado ser
la muestra más activa. Se espera que, mediante un tratamiento de reducción de los materiales, puedan
mejorarse los rendimientos obtenidos. [--]
The CO2 capture and utilization is one of most important strategic lines followed to achieve the
development of a low-carbon economy. Within the multiple ways to reach this objective, this work
focuses on the development of new photocatalysts for the catalytic conversion of CO2 to renewable
fuels. The working idea is based on the synthesis of a multifunctional material that combines good CO2
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The CO2 capture and utilization is one of most important strategic lines followed to achieve the
development of a low-carbon economy. Within the multiple ways to reach this objective, this work
focuses on the development of new photocatalysts for the catalytic conversion of CO2 to renewable
fuels. The working idea is based on the synthesis of a multifunctional material that combines good CO2
adsorption properties as well as a good photocatalytic reduction behavior.
In order to achieve this objective, different hybrid MOF-oxide-metal materials have been
synthesized. The MOFs (metal organic frameworks) that provide the necessary porosity for a good
adsorption of CO2 have been synthesized following the reactive seeding technique using the organic
ligand 1,3,5-benzenetricarboxylic acid and copper, nickel, and cobalt oxides as reaction nutrients. These
metallic precursors were selected for their high catalytic capacity for CO2 reduction. Finally, TiO2 has
been added as a photoactive material to improve the interaction of light with the materials. Samples have
been characterized in terms of their porosity, optical, thermal, and structural properties.
Reactive seeding of CuO has produced HKUST-1 of high porosity and crystallinity. NiO requires
stronger reaction conditions and presents small values of specific surface area. MOF-NiO hybrid
materials have been obtained mixing nickel nitrate and NiO in ethanol. CoO in water leads into a MOF
with similar properties of that obtained through reported procedures giving products with no porosity.
These hybrid materials can react with titanium isopropoxide, which forms a shell of TiO2 covering
the MOF. The incorporation of this material promotes the absorption of light in the visible range.
The reduction of carbon dioxide with H2 into CH4 is favoured when MOFs are decorated with metal
oxides. The generation of methane increases when TiO2 is part of the catalysts. The MOF-NiO-TiO2 has
rendered the best results among the synthesized materials. No photocatalytic activity has been detected
in the experiments. A previous treatment of reduction of the materials is suggested to promote the
activity of these hybrid materials as photocatalysts. [--]
Titulación
Máster Universitario en Química Sintética e Industrial por la Universidad de Valladolid; la Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea y la Universidad Pública de Navarra /
Kimika Sintetiko eta Industrialeko Masterra Valladolideko Unibertsitatean; Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea eta Nafarroako Unibertsitate Publikoa