La fotocatálisis, es decir, el empleo de materiales con propiedades fotocatalíticas que, mediante su irradiación con una luz de intensidad similar o mayor a su energía de banda prohibida (UV o visible) permita efectuar reacciones de reducción u oxidación, cobra cada vez más importancia en la investigación fundamental y aplicada, ya que además de eficiente, permite llevar a cabo estas reacciones a temperatura ambiente y presión atmosférica. La fotocatálisis es una tecnología emergente que ha ganado mucha atención en el control de la contaminación del aire y el agua y en la generación de energía, entre otras áreas.
La contaminación ambiental derivada de efluentes industriales es una problemática cada vez más preocupante. Los procesos fotocatalíticos pueden ser una excelente vía para degradación de contaminantes orgánicos tóxicos presentes en agua y aire. En presencia de oxígeno, estos nanomateriales fotoactivados mediante la irradiación de una fuente de luz de energía determinada, generan especies tales como oxígeno, radicales hidroxilo y radicales peroxilo que permiten llevar a cabo la degradación de contaminantes orgánicos y su conversión en sustancias inocuas. Mediante estos procesos también es posible llevar a cabo reacciónes de reducción, efectuar el cambio de estado de oxidación en el que metales pesados generados por la industria son nocivos para la salud, y pasarlos a uno que sea inocuo para los seres vivos.
Por otra parte, el desarrollo de un vector de energía limpia a partir de fuentes renovables como una alternativa a los combustibles fósiles es un gran reto tecnológico. Uno de las opciones más atractivas es el uso del hidrógeno (H2) como una fuente de energía. El uso de la energía solar en hidrógeno a partir de la división de la molécula del agua (water splitting) promovida por materiales con propiedades semiconductoras es uno de las formas más interesantes de obtener energía limpia y renovable.
Adicionalmente, las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera están aumentando debido tanto a la deforestación como al uso de combustibles fósiles en transporte, industria, fabricación de cemento, construcción, etc. El CO2 es el mayor contribuyente entre la mezcla de gases que producen el efecto invernadero, representando más del 63% del total de ésta. El empleo del CO2 contaminante de la atmósfera como materia prima para la producción de hidrocarburos de bajo peso molecular como el metano o de metanol es otra de las reacciones factibles de desarrollo mediante la aplicación de procesos fotocatalíticos, y se encuentra considerada junto con la producción de hidrógeno a partir de agua, dentro del procesos denominado “Fotosíntesis Artificial”, donde las reacciones llevadas a cabo por las plantas en la naturaleza para obtener la energía para su supervivencia son emuladas en un sistema desarrollado por el ser humano.
Diversas técnicas de caracterización permiten reforzar la investigación y desarrollo de nuevos nanomateriales con propiedades fotocatalíticas. Entre estas determinaciones, adicionalmente a las técnicas tradicionales aplicadas a los nanomateriales como la difracción de rayos X, la medición de las propiedades texturales (área superficial específica y tamaño de poro), y sus propiedades reductoras u oxidantes; se encuentran la determinación de valor de energía de banda prohibida (band gap) y la determinación de grupos funcionales presentes en el material mediante espectroscopía UV.
Sin embargo, la etapa más trascendente en el desarrollo de estos nanomateriales, es la evaluación de sus propiedades fotocatalíticas. Para ello se cuenta con sistemas de evaluación con reactores de diseño especial, donde el nanomaterial sintetizado se irradia con una luz de longitud de onda e intensidad definida, a condiciones atmosféricas en un espacio cerrado que no permita la interacción de otra fuente de luz. En el caso de la fotodegradación de contaminantes en fase acuosa, el seguimiento de la reacción se efectúa mediante las técnicas de espectroscopias UV e infrarroja (IR). En el caso de la reacción de producción de hidrógeno a partir de agua (water splitting) la eficiencia fotocatalítica del nanomaterial (producción de hidrógeno) se monitorea por cromatografía de gases.
Dra. Ma. de los Angeles Mantilla Ramírez
Extensión: 67752
mmantillar@ipn.mx
Extensión del laboratorio: 67752, 67763
Marca / Modelo TOC-LCSN (Shimadzu) Aplicaciones En los procesos fotocatalíticos, una molécula orgánica se descompone mediante la aplicación de un material semiconductor en presencia de una fuente de luz. Sin embargo, la desaparición de esa especie no garantiza la mineralización de la molécula (formación de CO2 + H2O) y en ocasiones genera compuestos incluso más dañinos que el inicial. El equipo de determinación de Carbón Orgánico Total permite determinar la completa mineralización de las moléculas a tratar. Descripción Especificaciones(Shimadzu TOC-VC series) Tipos de Medición. La configuración estándar del instrumento permite analizar Carbón total, Carbón Inorgánico, Carbón orgánico total por diferencia y carbón orgánico no purgable (método de acidificación y burbujeo). Límites de detección. 50 ppb Rango de medición de 50 ppb a 30,000 ppm de Carbón Total y 30,000 ppm Carbón Inorgánico. Precision. 1.5% CV max. Detector NDIR. Para minimizar el error debido al cambio de la temperatura ambiente y proveer reproducibilidad en los resultados, NDIR debe estar térmicamente estabilizado a 50 oC y utilizar tecnología con sensor de micro flujo. NDIR detector debe tener una linealidad de al menos 5 órdenes de magnitud.Inyección automático de la muestra IC Pre-tratamiento: Acidificación y burbujeo interno automático Blanco en el sistema. Para asegurar la precisión de los resultados el sistema debe generar su propio blanco de agua para proveer un verdadero blanco, no únicamente una matriz de blanco que lleve a cero la curva de calibración Dehumidificador electrónico: El sistema debe incorporar un dehumidificador electrónico para máxima remoción de vapor de agua Análisis de sólidos para TOC. El Instrumento debe tener la capacidad de analizar TOC en sólidos con el módulo opcional SSM5000. La medición debe cumplir con el Método EPA 9060A y 415.1 midiendo Carbón total e Inorgánico. El instrumento debe ser capaz de analizar muestras de 1 gramo con contenidos de hasta 0.5 g por muestra.
Marca / Modelo AFFINITY Aplicaciones Determinación de especies y grupos funcionales presentes en materiales sintetizados. Determinación de acidez y basicidad de materiales mediante el uso de moléculas sonda. Descripción Rango de Longitud de onda 350 a 7800 cm-1, Resolución 0.5, 1, 2, 4, 8 16 cm-1 a seleccionar Interferómetro Michelson (30 ° ángulo de incidencia). Sistema óptico sellado con sistema de AUTOSECADO Detector DLATGS detector equipado con control de temperatura Compartimiento de muestra equipado con reconocimiento automático de accesorios El equipo cuenta con módulo ATR de Seleniuro de Zinc para análisis de rutina de sólidos, semisólidos y líquidos. Útil para tamaño de muestra limitado. El ATR cuenta con un punto de muestra de 2 mm para análisis de pequeñas muestras. Incluye un rango de ZnSe 20,000 -650 de longitud de onda. Temperatura máxima de operación 300° C.
Marca / Modelo Thermolyne Modelo F-47955 Aplicaciones En el campo de los nanomateriales, y específicamente de la catálisis, el tratamiento térmico aplicado a una muestra sintetizada define sus propiedades estructurales, superficiales y por ende su actividad catalítica. Por ello, contar con equipo que permita controlar el perfil de este tratamiento térmico (velocidades de calentamiento y tiempos de calcinación) es de vital importancia. Descripción Horno o mufla de calcinación con control de velocidad de calentamiento y tiempos de calcinación programables. Cuenta con termocople como protección térmica Control D1: Programable con 4 programas de almacenamiento, 16 segmentos (rampas) por programa. Rango de temperatura de 100 a 1200°C Uniformidad a 1000 °C +/- 4.8 Estabilidad a 1000 °C +/- 0.4 *Medidas internas (cm) 13.7 x 10 x15 * Medidas externas (cm) 28.5 x 47 x 39 Potencia 1000 Watts Alimentación 120V, 50/60 Hz *Ancho X Alto X Fondo.
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