Nuevos materiales nanoestructurados para aplicaciones catalíticas

En los últimos años, la nanotecnología se ha convertido en uno de los campos de investigación más activos gracias a sus excepcionales propiedades y sus potenciales aplicaciones tecnológicas, muy diferentes a las que presentan los materiales a escalas superiores.

Figura 1. Difracción de rayos X de las muestras sintetizadas. (1) — Figura 1. Difracción de rayos X de las muestras sintetizadas.

Entre las múltiples aplicaciones de la nanotecnología, destaca su uso en la descontaminación medioambiental, para lo que se vienen utilizando, entre otros, semiconductores como el óxido de titanio (TiO2) y el óxido de zinc (ZnO). Este último genera gran interés científico debido a sus extraordinarias propiedades (ópticas, eléctricas, mecánicas,…) y a que por su bajo coste, se presenta como un adecuado sustituto frente al primero. Además, el ZnO es un material semiconductor, tipo “n”, con demostradas propiedades fotocatalíticas.

Figura 2. Imagen TEM a altos aumentos y espectros del análisis semicuantitativo de la muestra LM11. (1) — Figura 2. Imagen TEM a altos aumentos y espectros del análisis semicuantitativo de la muestra LM11.

Se busca determinar el efecto de las impurezas sobre la morfología y la influencia del tipo y la cantidad de dopante, por ello, numerosos estudios recientes buscan desarrollar materiales híbridos de ZnO dopado con metales nobles para mejorar su actividad catalítica y su resistencia a la corrosión. En este contexto, usar plata como dopante resulta una opción de gran interés.

Entre los distintos métodos empleados para la síntesis de materiales híbridos destaca el método solvotérmico, el cual permite obtener nanopartículas en un solo paso. Además es muy útil para preparar: (i) materiales que se descompongan a elevadas temperaturas, (ii) materiales muy poco solubles o reactivos, (iii) polimorfos de baja temperatura, (iv) especies con estados de oxidación controlados o no usuales (añadiendo oxidantes o reductores), (v) monocristales (por ejemplo el cuarzo), (vi) aleaciones que presentan baja resistencia química (evitando su corrosión). Se caracteriza por trabajar a presiones moderadas, que se generarán calentando, hasta una temperatura prefijada, un determinado líquido (diferente del agua), en un reactor autoclave que contiene la muestra.

Figura 3. Porcentaje de eliminación de MB con el tiempo. (1) — Figura 3. Porcentaje de eliminación de MB con el tiempo.

Este método ha sido el empleado por investigadores del Grupo de Tecnología de Polvos (GTP) de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) para desarrollar con éxito un sistema híbrido de carácter nanoestructurado, formado por óxido de zinc más plata metálica (ZnO@Ag).

En la Figura 1 se muestran los patrones de difracción (XRD) de las muestras preparadas (*), observándose que se han sintetizado ZnO con estructura wurtzita y Ag metálica con estructura cúbica centrada en las caras, los cuales cumplen los máximos de difracción de las fichas JCDPS-89-1397 y JCPDS-87-0720, respectivamente.
En la Figura 2 se recoge la imagen de microscopía electrónica de transmisión (TEM) y el análisis semicuantitativo (EDS) de la muestra LM11 (*) donde se comprueba que presenta una morfología en forma de nanoalambres (nanowires, NWs), que se corresponden con el ZnO, y nanoesferas (nanospheres, NSs), estando estas últimas dispersas sobre las primeras.

Por último, las muestras sintetizadas fueron sometidas a estudios fotocatalíticos, mediante la exposición de las mismas a una lámpara UV, con el objetivo de estudiar su capacidad para eliminar contaminantes (en este caso, azul de metileno, MB).

En la Figura 3 aparece el porcentaje de eliminación de contaminantes frente al tiempo, demostrando la viabilidad del sistema para aplicaciones medio ambientales, ya que en todos los casos se obtuvieron porcentajes de eliminación superiores al 58 %. Los mejores resultados obtenidos (logrando porcentajes de eliminación próximos al 100 %), confirman que las condiciones óptimas de operación son temperaturas bajas, tiempos intermedios de reacción y la adicción de un dispersante adecuado, ya que estas variables determinan la morfología y el tamaño de las partículas sintetizadas, siendo éstos, parámetros determinantes en la actividad fotocatalítica del sistema.
Estos resultados parciales obtenidos se presentaron en el I Encuentro de Jóvenes Investigadores de la SECAT, que tuvo lugar en Málaga, del 22-24 de Junio del 2014.

(*) Condiciones de operación: LM10 (120˚C, 6h, [Zn2+]=1,875•10-2 M, [Ag+]=0,), LM5 (120˚C, 18h, [Zn2+]=3,75•10-2M, [Ag+]=3,75•10-3M, hidracina), LM11 (120˚C, 3h, [Zn2+]=1,875•10-2M, [Ag+]=3,75•10-3M, CTAB-bromuro de hexadeciltrimetilamonio-).