Proyecto 1. Elucidación de los sitios activos en catalizadores bimetálicos para reacciones de abatimiento de la contaminación del aire
Los catalizadores que contienen nanopartículas de metálicas soportadas en óxidos reducibles son muy eficientes para catalizar algunas reacciones de abatimiento de la contaminación atmosférica, como la oxidación de compuestos orgánicos volátiles y del monóxido de carbono. La combinación de metales de transición, para formar partículas bimetálicas, es un camino muy eficiente para mejorar no solo la actividad sino también la estabilidad de este tipo de catalizadores en estas reacciones.
En catálisis heterogénea los sitios activos son los lugares específicos en la superficie del catalizador donde se lleva a cabo la reacción química. La identificación estos sitios es crucial para el entendimiento y el diseño racional de los catalizadores, sin embargo, debido a la complejidad que implica el caracterizar el catalizador en las condiciones de reacción (presencia de gases, temperaturas o presiones distintas a las ambientales) pocas veces se logra identificarlos. Los enfoques convencionales no son capaces de revelar la estructura real de los catalizadores, ya que típicamente la caracterización del catalizador solo se lleva a cabo antes y/o después de la reacción. La falta de tal información en condiciones “in-situ” ha limitado el entendimiento de los mecanismos catalíticos y por tanto el desarrollo de catalizadores más eficientes.
En este proyecto proponemos estudiar catalizadores bimetálicos (Au, Ag, Cu, Ru, Ir, Ni, Co, Rh) en forma de nanopartículas soportadas tanto en un óxido reducible (TiO2) como en uno no reducible (Al2O3). El enfoque principal del proyecto es elucidar por medio de técnicas de caracterización in-situ y operando los sitios activos de estos catalizadores bimetálicos en reacciones heterogéneas de oxidación de CO y de compuestos orgánicos volátiles.
Los catalizadores serán sintetizados por técnicas químicas en fase líquida y se caracterizarán por diferentes técnicas espectroscópicas in-situ y operando como infrarrojo utilizando moléculas sonda (DRIFTS, y c-MES), UV-vis, Raman; así como técnicas complementarias ex situ como HRTEM, XPS, quimisorción de CO, TPR, TPO, ICP y BET.
Los catalizadores serán evaluados en condiciones cinéticas, sin limitaciones por transferencia de masa o térmicas y se evaluará el efecto del soporte (reducible o no reducible) y la miscibilidad entre los metales empleados, para determinar el tipo de sitios activos en las reacciones de oxidación a estudiar. Asimismo, se determinará si existen diferencias en los cambios que sufran las fases activas durante la reacción (como la segregación de uno de los componentes a la superficie, cambios en los estados de oxidación de uno o ambos metales, aleación o desaleación de los mismos) en función del tipo de soporte y la miscibilidad de los metales.
Proyecto 2. Producción de hidrógeno verde y fotosíntesis artificial usando nanocatalizadores
El hidrógeno representa una alternativa factible al uso de combustibles fósiles, debido a su alta capacidad energética y combustión limpia. Dado que el hidrógeno puede ser obtenido a partir de agua, el recurso más abundante de la Tierra, por medios fotocatalíticos usando luz, otra fuente de energía limpia y constante suministrada por el Sol, el proceso de fotólisis del agua representa una alternativa para la generación de hidrógeno verde. Cuando el hidrógeno obtenido a partir de este proceso se hace reaccionar con dióxido de carbono, para producir hidrocarburos ligeros o alcoholes, se lleva a cabo la fotosíntesis artificial. La ventaja de este proceso es que puede utilizar el dióxido de carbono de la atmósfera, por lo que al utilizar estos combustibles se evita la emisión de CO2 adicional a la misma.
Uno de los principales problemas de la mayor parte de los semiconductores usados en fotocatálisis es la alta velocidad de recombinación de los electrones y huecos fotogenerados, antes de que migren a la superficie del fotocatalizador, para llevar a cabo reacciones catalíticas. En este sentido, una manera eficiente para promover la separación de cargas es el depósito de nanopartículas de metales nobles con una función trabajo alta sobre el semiconductor, ya que actúan como trampas de electrones. Además, en varios semiconductores como el TiO2 es necesario incrementar la absorción de luz visible, lo que se puede lograr por medio de su modificación con nanopartículas de metales que presenten un efecto plasmónico. Por otro lado, la inclusión de iones metálicos, y no metálicos como dopantes en los semiconductores, confiere la posibilidad de usar la energía solar mediante la reducción de la energía de brecha prohibida del semiconductor, permitiendo el aprovechamiento de la luz visible.
Existe además una ruta alternativa, que consiste en la absorción de dos fotones de luz, lo cual se logra mediante el acoplamiento de dos semiconductores de tal forma que uno sea capaz de oxidar y el otro de reducir la molécula de agua. Esta última ruta se conoce como esquema Z, en dicho esquema la fotólisis del agua se divide en dos etapas: la producción de H2 en un fotocatalizador y la producción de O2 en el otro fotocatalizador. El acoplamiento de los dos fotocatalizadores tiene la ventaja de que disminuye la energía requerida por el proceso fotocatalítico, lo que permite utilizar luz visible.
En este proyecto se propone sintetizar semiconductores (puros, y dopados) y combinaciones de dos semiconductores (esquemas Z) modificados superficialmente con nanopartículas metálicas, para promover la reacción de fotólisis del agua para producir hidrógeno, así como para catalizar la reacción de fotosíntesis artificial. Los materiales sintetizados se caracterizarán por diferentes técnicas espectroscópicas, térmicas y por microscopía electrónica.
