Reactores capilares para fotosíntesis artificial

Abstract

La aplicación de reactores capilares para la transformación de dióxido de carbono a compuestos orgánicos con valor comercial a través de un proceso de reducción en medio acuoso, asistido por luz UV (λ=254 nm) y un catalizador fue el objeto central de estudio de esta investigación. El proceso, también conocido como fotosíntesis artificial se efectuó bajo el régimen hidrodinámico de Taylor en donde el efecto del catalizador (TiO2) se estudió en películas y en suspensión. Los recubrimientos de TiO2 se prepararon mediante el método sol-gel empleando distintas relaciones volumétricas de los precursores isopropoxido de titanio, isopropanol y ácido nítrico. El TiO2 se depositó sobre la superficie interna de capilares de cuarzo (DI=0.3 cm) y la caracterización de la película resultante se realizó a través de espectroscopia Raman, microscopia electrónica de barrido y espectroscopia UV-Vis de reflectancia difusa. Se encontró que la formación de películas más homogéneas y transparentes se obtiene con un mayor grado de dilución de los precursores. La fase cristalina anatasa fue identificada independientemente de las condiciones de síntesis. La actividad fotocatalítica de los recubrimientos se verificó en una reacción de oxidación (degradación de ácido 2-dihidroxibenzoico con O2) y en la reacción de reducción del CO2. En la reacción de oxidación, las variables de respuesta fueron la disminución en la concentración del ácido, el grado de mineralización y la concentración de los intermediarios de reacción. Se concluyó que el recubrimiento que ofrece el mejor desempeño fotocatalítico es aquel preparado con una relación volumétrica de precursores igual a 1:15:1 con dos ciclos de recubrimiento. Los subproductos de reacción identificados por HPLC fueron los ácidos 2,3 y 2,5-dihidroxibenzoicos encontrándose que su formación ocurre en ruta paralela y que son compuestos persistentes a su degradación. Estas condiciones de síntesis se emplearon para llevar a cabo la reducción de CO2. Con respecto a esta etapa, se condujo la reacción de reducción de CO2 con distintos agentes reductores y siendo catalizada por TiO2 bajo irradiación UV. Se verificó el efecto del agente reductor, la configuración del reactor y del catalizador. La reacción de foto-reducción se favoreció al ser efectuada en medio alcalino y catalizada por suspensiones de TiO2. Se identificaron cualitativamente como productos de reacción en la fase líquida al metanol, etanol y al formaldehído. Se modificó el sistema de reacción adicionando un paso de tratamiento fotoquímico del CO2 previo a incorporarse al reactor capilar para su transformación a compuestos orgánicos encontrando que esta modificación alteró considerablemente la selectividad del proceso. Adicionalmente el proceso fue catalizado por los siguientes materiales: TiO2:Ni, TiO2:F, TiO2:F:Pt y Cu2O depositado sobre grafeno. En todos los casos la producción de compuestos orgánicos fue superior a la alcanzada cuando el proceso fue catalizado únicamente por TiO2. De esta forma fue verificado el uso de reactores capilares en la reacción fotocatalítica de oxidación de ácido 2-DHBA y en el proceso de reducción de CO2.