Producción de H2 mediante descomposición fotocatalítica de agua: Estudio de la actividad de TiO2 mesoestructurado dopado con Pt

Abstract

El presente proyecto se enmarca dentro de una línea de investigación desarrollada por el Grupo de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos sobre producción de hidrógeno. Concretamente, se centra en el desarrollo de procesos fotocatáliticos para la obtención de este gas a partir de agua, con el objetivo de conseguir un método limpio y rentable de producir dicho portador de energía. Se está planteando actualmente la implantación a largo plazo de una posible ¿economía del hidrógeno¿, en tanto que se trata de un combustible inagotable y limpio, siempre que la fuente de energía de la que procede lo sea. Por este motivo, se pretende desarrollar una vía de obtención de H2 que sea sostenible con el medio ambiente. Sería éste el caso de la descomposición fotocatalítica de agua, empleando semiconductores tipo n como catalizador, entre los que destaca el TiO2, dada su alta estabilidad y resistencia a la fotocorrosión. El inconveniente de este material es su baja eficiencia, así como la necesidad del uso de radiación UV, lo que conlleva un aumento del coste del proceso. Para que el mecanismo fuese rentable desde el punto de vista comercial, debería poder emplearse luz solar como única fuente de energía, aparte de conseguir producciones mayores de H2. Un modo de solventar la baja eficacia del TiO2 es la modificación de su actividad mediante el empleo en reacción de los denominados agentes de sacrificio (como, por ejemplo, el metanol) que, unido a la incorporación de Pt sobre la superficie del catalizador, lleva a un aumento considerable en la producción de H2. En la presente investigación se ha evaluado la actividad de un fotocatalizador de elevada área específica (dióxido de titanio mesoestructurado) con el fin de dispersar mayor cantidad de Pt sobre su superficie. A tal efecto, se estudiaron distintas variables susceptibles de afectar a la producción de H2, entre las que destacan el método de dispersión del Pt en el material mesoporoso, así como la concentración del metal incorporado. Tras realizar los correspondientes ensayos de reacción se compararon los resultados obtenidos con los que se consiguen mediante el empleo del catalizador de TiO2 comercial, Degussa P25. Con el objetivo de analizar las propiedades físico-químicas del fotocatalizador, así como para evaluar la dispersión del Pt en el TiO2, se emplearon diversas técnicas de caracterización, tales como Fluorescencia de Rayos X, Difracción de Rayos X, Microscopía de Transmisión de Electrones, Espectroscopía UV-Vis, etc. Los resultados de esta investigación permiten concluir, en primer lugar, que el método de dispersión del Pt sobre el semiconductor influye en gran medida en la producción fotocatalítica de H2. Así, los métodos que resultan ser más efectivos son la fotodeposición y el método citrato (II), en tanto que ofrecen una dispersión muy homogénea y unos diámetros de partícula de Pt regulares y bajos, lo que conlleva una elevada proporción superficie/volumen, mejorando el contacto Pt-TiO2. Por otro lado, es importante añadir una concentración óptima de metal (2% para el material mesoestructurado), pues por debajo de ella se produce en mayor medida el envenenamiento del catalizador, y por encima del valor óptimo se generan aglomeraciones de Pt que empeoran su dispersión. Se determinó además que el TiO2 comercial es mucho más activo que el mesoestructurado, de lo que puede concluirse que, si bien una elevada superficie específica del catalizador debe mejorar la dispersión de aditivos sobre la misma, existen otras propiedades, principalmente relativas a la cristalinidad, que deben ser mejoradas para alcanzar niveles de actividad al menos similares a los obtenidos con la Degussa P25. Por último se realizó un estudio de los subproductos de reacción, con el fin de evaluar los intermedios generados en el proceso y su influencia en la obtención de H2, así como para discutir la actividad del metanol como agente de sacrificio. Se pudo determinar que el H2 generado procede principalmente de la descomposición fotocatalítica del agua y no de la del metanol, así como la elevada selectividad del mecanismo respecto a la producción de H2 frente a la de CO2. A la vista de los resultados obtenidos, cabe señalar que, si bien la cantidad de hidrógeno producida se encuentra en torno a valores muy bajos, la descomposición fotocatalítica de agua resulta una alternativa muy interesante en cuanto a obtención de hidrógeno. Además, dicho mecanismo se encuentra en pleno proceso de investigación, con numerosas ramas de estudio para proseguir con su desarrollo.