Producción de H2 mediante descomposición fotocatalítica de agua: Estudio de catalizadores Cu-TiO2 y Ni-TiO2

Abstract

El presente proyecto se enmarca dentro de la línea de investigación de producción de hidrógeno desarrollada por el Grupo de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos. Más concretamente se centra en el estudio de catalizadores Cu-TiO2 y Ni-TiO2 para la descomposición fotocatalítica de agua en H2. La insostenibilidad del modelo energético actual hace necesaria la búsqueda de alternativas energéticas, que apuntan al hidrógeno como el combustible del futuro. Sin embargo, para que esto suceda es necesario encontrar un sistema de producción de H2 ecológico y lo que es aún mas difícil, a un precio competitivo. Entre las posibles alternativas de producción se encuentra la descomposición fotocatalítica de agua mediante el uso de semiconductores tipo n como catalizadores. El interés de este mecanismo de producción reside en que únicamente requiere de energía radiante para su funcionamiento por lo que se podría aprovechar la radiación procedente del sol. El problema es que, actualmente, la eficacia de este proceso es muy pobre para considerar su implantación en el mercado, de manera que se necesita de investigación para su desarrollo. Son numerosas las investigaciones que centran sus esfuerzos en desarrollar catalizadores eficaces para el proceso. Entre los materiales empleados destaca el TiO2 por su elevada estabilidad y gran resistencia a la fotocorrosión. No obstante su eficacia es muy baja y el proceso se ve limitado por la necesidad de emplear fuentes de radiación artificiales cercanas al Ultravioleta-UV para asegurar la activación del catalizador. Un gran inconveniente, sin duda, ya que el posible aprovechamiento de la radiación solar convertiría a esta tecnología en un mecanismo limpio y barato de obtención de H2. De ahí, el interés en encontrar fotocatalizadores que se activen y actúen absorbiendo únicamente radiación solar y que, además, presenten elevada eficacia. En este sentido el dopado del dióxido de titanio con metales semiconductores reduce la energía a superar para provocar la promoción de los electrones y aumenta la actividad al impedir la recombinación de los pares electrón-hueco generados. Entre los semiconductores más empleados se encuentran los metales nobles como Pt, Au, Pd, Rh y Ag, pero su elevado coste hace necesaria la búsqueda de alternativas más económicas como las que se estudian en el presente proyecto: Cu y Ni. Los ensayos de actividad se han realizado en un medio de reacción compuesto por agua y metanol, con una lámpara de luz de UV y un sistema de agitación continua. Los fotocatalizadores empleados en dichos ensayos se han preparado a partir de TiO2 comercial (Degussa P25) dopado con Cu y Ni. Con el fin de determinar las condiciones óptimas del sistema para la producción de H2, se ha evaluado la actividad catalítica de los fotocatalizadores en diferentes escenarios: método de incorporación del metal, cantidad de metal depositado, tipo de precursor del metal, pH del medio y método de reducción. Para caracterizar los materiales se han empleado diversas técnicas analíticas como: Microscopia de Transmisión de Electrones (TEM), Fluorescencia de Rayos X (FRX), Difracción de Rayos X (DRX) y estudios de Reducción a Temperatura Programada (TPR). Los resultados de estos análisis permitieron conocer la cantidad de metal incorporada, el grado de dispersión del metal, así como la temperatura de reducción de estos materiales. Los diversos estudios que se desarrollan en esta investigación permiten extraer una serien de conclusiones. La primera que tanto el dopado con Cu, como con el Ni aumenta considerablemente la actividad fotocatalítica del TiO2. Por otro lado en el caso de los sistemas Cu-TiO2 se ha observado que la producción de H2 alcanza su valor máximo cuando la impregnación del metal es ¿in-situ¿, con reducción en el reactor y para una concentración en Cu de 0,5 % en peso de TiO2. Mientras que para los sistemas Ni-TiO2 no se consigue una incorporación efectiva del metal con ninguno de los métodos impregnación empleados, pero si se alcanzan niveles de producción similares a los óptimos del Cu cuando se impregna en disolución, se reduce ¿ex-situ¿ y con una concentración al 0,5% en peso de Ni. Por último indicar que los aunque los niveles de producción de H2 alcanzados son bajos para pensar en una aplicación a gran escala, la descomposición fotocatalítica de agua se perfila como una de las alternativas más prometedoras para la producción futura de hidrógeno.