Conversión de CO2 nanotecnología utilizando ... · una lámpara de radiación UV, estudiando las...
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www.revistamcyn.mx Materia, Ciencia y Nanociencia | Vol. 1, No.2. Diciembre 2018 40 Conversión de CO 2 a gas metano a través de nanotecnología utilizando fotocatalizador de TiO 2 : una revisión Astrid Adriana Duran-Toscano, Jaime Martínez-Castillo * , Teresa Hernández- Quiroz Centro de Investigación en Micro y Nanotecnología, Av. Ruiz Cortines 455, Costa Verde 94294, Boca del Río, Veracruz, México. * [email protected] RESUMEN En el presente manuscrito se muestra una revisión general acerca de los métodos más utilizados para convertir CO2 en CH4, a partir de TiO2 como fotocatalizador. Se mencionan diferentes técnicas utilizadas, así como lo que otros autores han hecho en el pasado y sus resultados. Palabras clave: metanación, nanopartículas, nanotecnología, reducción de CO2, TiO2.
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Conversión de CO2 a gas metano a través de
nanotecnología utilizando fotocatalizador de
TiO2: una revisión
Astrid Adriana Duran-Toscano, Jaime Martínez-Castillo*, Teresa Hernández-
Quiroz
Centro de Investigación en Micro y Nanotecnología,
Av. Ruiz Cortines 455, Costa Verde 94294, Boca del Río, Veracruz, México.
RESUMEN
En el presente manuscrito se muestra una revisión general acerca de los métodos más
utilizados para convertir CO2 en CH4, a partir de TiO2 como fotocatalizador. Se mencionan
diferentes técnicas utilizadas, así como lo que otros autores han hecho en el pasado y sus
resultados.
Palabras clave: metanación, nanopartículas, nanotecnología, reducción de CO2, TiO2.
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Conversion of CO2 to CH4 via
nanotechnology using TiO2 as a catalyst: a
review Astrid Adriana Duran-Toscano, Jaime Martínez-Castillo*, Teresa Hernández-
Quiroz
Centro de Investigación en Micro y Nanotecnología,
Av. Ruiz Cortines 455, Costa Verde 94294, Boca del Río, Veracruz, México.
ABSTRACT
In the present manuscript a general review is shown about the most commonly used
methods to convert CO2 to CH4, from TiO2 as a photocatalyst. Different techniques used are
mentioned, as well as what other authors have done in the past and their results.
Key words: metanation, nanoparticles, nanotechnology, reduction of CO2, TiO2.
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Introducción
ctualmente, la importancia de convertir el dióxido de
carbono (CO2) en metano (CH4) se basa
principalmente en que el metano es un combustible
que tiene grandes aplicaciones. Entre las principales,
tenemos: la generación de energía eléctrica, como
biocombustible en el transporte público o privado y como gas
utilizado en los hogares, transportado a través de tuberías, y es
en este contexto que se le conoce como “gas natural”. El metano
es muy importante en la industria química, ya que es la materia
prima para la generación de hidrógeno, metanol, ácido acético,
entre otros. Una forma de combatir la crisis energética y la
generación de gases de efecto invernadero, siendo el CO2 el gas
que encabeza la lista, es precisamente la reducción del CO2 en
CH4. Para ello se usará la nanotecnología, habiendo actualmente
varios métodos para este propósito. Uno de los catalizadores que
han causado un gran impacto en este proceso es el uso de dióxido
de titanio (TiO2), ya que es químicamente estable, presenta un
bajo costo y, además, es resistente a la corrosión.
Pero hay que tener en cuenta algunas desventajas del uso
de TiO2. Entre ellas tenemos que solo está activo cuando se
irradia con luz ultravioleta, debido a su banda ancha, lo que lo
hace menos efectivo bajo la luz solar, ya que el espectro solar
solo consiste en aproximadamente 4% de luz ultravioleta.
Adicionalmente, el TiO2 tiene una alta tasa de recombinación de
par electrón/agujero en comparación con la tasa de interacción
química con las especies adsorbidas para reacciones redox [1].
Métodos de obtención y
caracterización
Abdullah et al. [1] mencionan entre las diversas técnicas el
dopaje, el dopaje no metálico, el acoplamiento con otros
semiconductores, el co-dopado y la modificación de la superficie
a través de materiales orgánicos. Khalid et al. [2] emplearon el
A De fórmula química
CO2, es un gas incoloro
y vital para la vida en la
Tierra. Este compuesto
químico se encuentra
en la naturaleza y está
constituido de un
átomo de carbono
unido con enlaces
covalentes dobles a dos
átomos de oxígeno.
Fuentes naturales
incluyen volcanes,
aguas termales,
géiseres. Está presente
en yacimientos de
petróleo y gas natural.
Dióxido de carbono
El metano es el
hidrocarburo alcano
más sencillo, cuya
fórmula química es CH4.
Cada uno de los átomos
de hidrógeno está
unido al carbono por
medio de un enlace
covalente. Es una
sustancia no polar que
se presenta en forma
de gas a temperaturas y
presiones ordinarias. Es
incoloro, inodoro e
insoluble en agua.
Metano
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método de sol-gel para sintetizar nanopartículas de N/TiO2
dopados fotocatalíticamente al nanometal de Ag y Cu. Dichas
nanopartículas las caracterizaron mediante difracción de rayos
X, microscopía electrónica de transmisión, BET, espectroscopia
fotoelectrónica de rayos X y UV-vis. Demostraron, que cuando
se dopa el Ag-N/TiO2, muestra una mayor absorción de la luz
visible, reducción de la recombinación de portadores de carga
fotoexcitado y mayor área superficial debido a la plata y el
nitrógeno dopados. También afirmaron mediante el análisis BET
que el Ag-N/TiO2 muestra mayor área de superficie específica
(162.4m2g-1) en comparación con la muestra de Cu-N/TiO2
(151.5m2g-1) y con las muestras de N/ TiO2 (147.6) y TiO2
(141.4). Obtienen un diámetro de poro de 10 nm en todas las
muestras, por lo que claramente tienen una estructura
mesoporosa. Con la microscopia electrónica de transmisión
investigaron el tamaño y forma de las diferentes nanopartículas
que prepararon, mostrando en la figura 1, el resultado de este
estudio. Cabe mencionar, que obtuvieron un tamaño de
nanopartícula para el TiO2 entre 8-10 nm [2]
Figura. 1. Imágenes TEM de nanopartículas (A) TiO2 puro, (B) N/TiO2, (C) Cu-N/TiO2 y (D) Cu-N/TiO2. [2].
En ciencias de los
materiales, el proceso
sol-gel es un método de
producción de
materiales sólidos a
partir de moléculas
pequeñas. Este método
es usado para la
fabricación de óxidos
metálicos,
especialmente de silicio
y titanio. El proceso
implica la conversión de
monómeros en una
solución coloidal (sol)
que actúa como
precursor de una red
integrada (o gel) de
partículas discretas o
polímeros reticulados.
Los precursores típicos
son alcóxidos.
Método Sol-Gel
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En cuanto a la estabilidad, la conversión fotocatalítica del CO2
en CH4, usando Ag-N/TiO2, muestra, que ese fotocatalizador era
estable, incluso después de 6 horas de irradiación. El mecanismo de
fotoreducción de CO2 que utilizaron fue la excitación del
fotocatalizador, irradiando luz para generar electrones (en la banda de
conducción) y huecos (en la banda de valencia). Estos huecos
reaccionaron con moléculas de agua absorbidas, formando iones de
H+; a su vez, estos reaccionaron con electrones para formar radicales
H-. Posteriormente, el CO2 se redujo en radicales H- produciendo
metano.
Por otro lado, Martínez et al. [3] sintetizaron
nanopartículas de TiO2 usando la técnica de sol-gel asistida con
radiación ultrasónica, usando como precursor isopropóxido de
titanio. Caracterizaron dichas nanopartículas mediante
difracción de rayos X y microscopía electrónica de transmisión.
Obtuvieron TiO2 modificando el tiempo de irradiación
ultrasónica en lapsos de 1, 2 y 3 horas. Para este efecto utilizaron
una lámpara de radiación UV, estudiando las reacciones de
fotodegradación en soluciones de anaranjado de metilo con una
concentración inicial de 6.11x10-5 mol/L. [3]. Los resultados
obtenidos demostraron que, de primera instancia, utilizando el
método de síntesis propuesto, las nanopartículas no mostraban
estructura cristalina, por lo que le aplicaron un tratamiento
térmico a 350°C durante una hora, en donde obtuvieron la fase
anatasa, en todos los casos obteniendo un rango de tamaño
cristalino entre 10 y 37 nm.
Gnanaprakasam et al. [4] sintetizaron TiO2 y de ZnO a
través del método sol-gel y el método de precipitación,
respectivamente. En el primer caso usaron como precursor
Ti[OC3H7]4, y para el segundo caso sulfato de zinc.
Caracterizaron las nanopartículas por SEM, EDX, XRD y FTIR
obteniendo los siguientes resultados: el tamaño promedio de las
nanopartículas de TiO2 fue de 15.4 nm y para las de ZnO fue de
17.9 nm. Utilizaron las nanopartículas para la degradación de
tintes y probaron la regeneración del TiO2 como fotocatalizador.
Las nanopartículas de TiO2 las prepararon disolviendo
tetraisopropóxido de titanio Ti[OC3H7]4 como precursor en
isopropanol. Posteriormente añadieron agua y ácido acético
como agente quelante, calentando la mezcla a 80°C durante 3
horas con agitación vigorosa. Para evitar la aglomeración de
partículas en el sol, agregaron HNO3 a la solución y
Son compuestos que
toman ventaja de su
cualidad
semiconductora, es
decir, son capaces de
transportar electrones
toda vez que han sido
excitados por alguna
fuente de energía como
la luz ultravioleta o
solar.
Fotocatalizador
Rotura de moléculas de
compuestos
indeseables por efecto
de la luz y un
fotocatalizador, que al
fragmentarse se
convierten en inocuos.
Fotodegradación
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posteriormente secaron el sol en un horno a 100°C durante 10
horas. Finalmente, calcinaron el material secado a 450°C
durante 2 horas, obteniéndose así las nanopartículas de TiO2. [4].
A su vez, Wang et al. [5] sintetizaron nanocompositos de
Pt@Ag-TiO2 y lo utilizaron para reducir el CO2 a metano en
presencia de agua. Cuando caracterizaron el material, mostraron
que se formó un core-shell (núcleo-coraza). Comprobaron que
la tasa máxima de formación de metano fue de 160.3 μmol·g−1·
h−1 junto con una reducción de CO2 de 87.9%.
En [6] prepararon las nanopartículas por el método
solvotermal. Usaron como precursor n-Butóxido de Titanio
junto con la mezcla A que contenía etano, ácido acético y agua
desionizada. Posteriormente, mezclaron el precursor con la
solución A bajo agitación hasta formar una mezcla homogénea
y se siguió agitando durante 1 hora más. La mezcla se introdujo
en un recipiente a 180°C durante 24 horas. El polvo, que
contenía las nanopartículas de TiO2, se obtuvieron por
centrifugación y posteriormente se hicieron varias lavadas con
etanol y agua desionizada, para secar el polvo a 80°C durante
otras 24 horas. Pasado el tiempo, calcinaron el material obtenido
a 500°C durante 2 horas y así obtuvieron las nanopartículas de
TiO2.
Por su parte, Kyriakou et al. [7] encontraron que las
nanopartículas de oro depositadas en TiO2 eran estables y activas
para la hidrogenación del CO2. Utilizaron el método de
deposición-precipitación. Encontraron un tamaño de
nanopartícula para el oro de 2.2 nm.
Mosquera et al. [8] sinterizaron nanopartículas de TiO2 en
fase anatasa, usando el método de sol-gel y como precursor
oxisulfato de titanio. Disolvieron el precursor en agua destilada
a temperatura ambiente usando agitación continua. A la mezcla
le agregaron hidróxido de amonio hasta que se formó un
precipitado con un pH de 8.5. Posteriormente, lavaron y filtraron
el precipitado obtenido, y éste fue sometido a dos síntesis. A la
primera muestra le agregaron y agua destilada, agitándolo
durante 1 hora a 80°C. Al segundo filtrado, le añadieron
peróxido de hidrógeno y agua destilada y posteriormente lo
Referencias
[1] H. Abdullah, M. Khan, H. Ong
and Z. Yaakob, Modified TiO2
photocatalyst for CO2
photocatalytic reduction: An
overview, Journal of CO2
Utilization, vol. 22, pp. 15-32,
2017.
[2] N. Khalid, E. Ahmed, N. Niaz, G.
Nabi, M. Ahmad, M. Tahir, M.
Rafique, M. Rizwan and Y.
Khan, Highly visible light
responsive metal loaded N/TiO2
nanoparticles for photocatalytic
conversion of CO2 into methane,
Ceramics International, vol. 43,
no. 9, pp. 6771-6777, 2017.
[3] V. Martínez, L. Matejova, A.
López, G. Cruz, J. Solís, M.
Gómez, Obtención de partículas
de TiO2 por sol-gel, asistido con
ultrasonido para aplicaciones
fotocatalíticas, Revista de la
Sociedad Química del Perú, vol.
81, no. 3, pp. 201-211, 2015.
[4] A. Gnanaprakasam, V.
Sivakumar, P. Sivayogavalli and
M. Thirumarimurugan,
Characterization of TiO2 and
ZnO nanoparticles and their
applications in photocatalytic
degradation of azodyes,
Ecotoxicology and
Environmental Safety, vol. 121,
pp. 121-125, 2015.
[5] Y. Wang, Q. Lai, Y. He and M.
Fan, Selective photocatalytic
carbon dioxide conversion with
Pt@Ag-TiO2 nanoparticles,
Catalysis Communications, vol.
108, pp. 98-102, 2018.
[6] Y. Wang, Q. Lai, F. Zhang, X.
Shen, M. Fan, Y. He and S. Ren,
High efficiency photocatalytic
conversion of CO2 with H2O
over Pt/TiO2 nanoparticles, RSC
Adv., vol. 4, no. 84, pp. 44442-
44451, 2014.
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sometieron a un proceso de reflujo a 100°C durante 2 horas. Lo
obtenido de cada síntesis fue calcinado a temperaturas de 300 y
500 °C y tiempos de 30 y 60 minutos, respectivamente. Las
muestras obtenidas las caracterizaron mediante dispersión
dinámica de luz, espectroscopia de infrarrojo, microscopía
electrónica de transmisión y difracción de rayos X, obteniendo
un tamaño de nanopartícula menor a 10 nm. [8]
Conclusiones
La reducción fotocatalítica de CO2 en metano es de suma
importancia medioambiental, ya que el CO2 representa uno de
los principales gases de efecto invernadero. Se hizo una revisión
de los diferentes métodos utilizados para la síntesis de
nanopartículas de TiO2 y se encontró que el favorito fue el
método de sol-gel, una técnica que es económica y fácil de llevar
a cabo. Por otro lado, otras técnicas de síntesis utilizadas fueron
la síntesis solvotermal y el método de precipitación. En la
presente revisión se encontró que las nanopartículas de TiO2 son
ampliamente utilizadas en la fotoreducción y que presentan una
alternativa viable para este fin.
[7] V. Kyriakou, A. Vourros, I.
Garagounis, S. Carabineiro, F.
Maldonado-Hódar, G. Marnellos
and M. Konsolakis, [8] Highly
active and stable TiO2 -supported
Au nanoparticles for CO 2
reduction, Catalysis
Communications, vol. 98, pp. 52-
56, 2017.
[8] E. Mosquera, N. Rosas, A. Debut
y V. Guerrero, Síntesis y
Caracterización de
Nanopartículas de Dióxido de
Titanio Obtenidas por el Método
de Sol-Gel, Revista Politécnica,
vol. 36, no. 3, 2015
