Síntesis, modificación y caracterización de un nuevo material microporoso tipo MOF para la adsorción selectiva de hidrógeno

Abstract

El presente proyecto forma parte de una línea de investigación del Grupo de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos centrada en el almacenamiento de hidrógeno en materiales adsorbentes de nueva generación, desarrollándose la síntesis de diferentes materiales MOF (¿Metal Organic Framework¿) ya que se consideran uno de los sistemas adsorbentes más innovadores y versátiles. Para un material microporoso donde el fenómeno de fisisorción y las fuerzas débiles de van der Waals dominan el proceso de adsorción de hidrógeno, la densidad de almacenamiento está afectada en gran medida por el tamaño de los poros del material. De allí la elección para la presente investigación de un nuevo material tipo MOF basado en el metal indio, el ITMOF-1, el cual presenta tamaños de poro reducidos, además de un ligando orgánico 1H-imidazol-4,5-tetrazol, constituido por un alto contenido en átomos altamente polarizables y con gran potencial de enlace con los metales. Concretamente, a partir de las condiciones de síntesis de dicho material ITMOF-1, se modificaron aquellas más influyentes, como el tiempo de cristalización y las relaciones molares entre los componentes que lo constituyen, hasta alcanzar las condiciones de cristalización. Todas las síntesis se han realizado siguiendo el mismo procedimiento, tanto en el orden de incorporación de los componentes para la síntesis como en el tiempo y temperatura a la que se llevó a cabo la misma Una vez se alcanzaron las condiciones de cristalización del material ITMOF-1, se procedió a su modificación con el objetivo de aumentar su estabilidad estructural. Para ello, se introdujeron diferentes cationes metálicos en el medio de cristalización, a fin de formar parte de la estructura. Los cationes que se probaron han sido de diferentes tipos, para poder establecer las diferencias que suponen en el material, en concreto se han utilizado cationes metálicos divalentes (Co2+, Mg2+ y Pd2+) y monovalentes, dentro de estos últimos se ha probado con dos de distinta naturaleza, orgánica (TEA+) e inorgánica (K+). De acuerdo con el bajo grado de incorporación de los metales en la estructura ITMOF-1, la modificación presumiblemente ha consistido en un intercambio iónico de la molécula HMTA+, en lugar de una incorporación a la propia estructura ITMOF-1, lo que ha sido confirmado mediante las técnicas de caracterización. Todas las muestras preparadas, tanto modificadas como no modificadas, se han caracterizado mediante difracción de rayos X en polvo con el fin de determinar la fase cristalina. Otras técnicas de caracterización usadas han sido la microscopía electrónica de barrido, análisis elemental, espectroscopía de infrarrojos, análisis termogravimétrico e isotermas de adsorción de dióxido de carbono a 273 K. Mediante esta última técnica se determinaron las superficies específicas de los materiales. Se comprobó la degradación de la estructura ITMOF ante la presencia de acetonitrilo puro, independientemente de que la muestra posea cationes inorgánicos metálicos o cationes orgánicos. Dado que las muestras se almacenan en presencia de este disolvente, los resultados obtenidos sugieren que la dimetilformamida juega un papel importante en la estabilización de las cargas dentro de la estructura ITMOF, posiblemente al transformarse en iones DMA+ a la temperatura de cristalización de los materiales (85 °C). Se ha evaluado la capacidad de almacenamiento de hidrógeno a 77 K tanto del material no intercambiado como de sus homólogos intercambiados catiónicamente mediante la adsorción gravimétrica de dicho gas. La capacidad total de adsorción de hidrógeno de estos materiales todavía no ha sido alcanzada a 77 K y 20 bar, probablemente debido a la difusión limitada del gas, producto de una evacuación insuficiente de los materiales. No obstante, a bajas presiones de operación, estos materiales adsorben grandes cantidades de hidrógeno, confirmando una elevada afinidad MOF-H2, tal como se esperaba al poseer poros de tamaño reducido. Por último, la incorporación de los cationes metálicos en la estructura ITMOF, produce en general un aumento en la capacidad de almacenamiento de hidrógeno, respecto de su homologo ITMOF-4.