Producción de H2 mediante descomposición fotocatalítica de agua: Estudio de catalizadores Pt-TiO2

Abstract

Este 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 transformación de agua en hidrógeno, con el fin de conseguir un método limpio y rentable de producir este vector energético. El hidrógeno es considerado actualmente el combustible del futuro, pues se caracteriza por ser un elemento capaz de producir energía de forma limpia, es decir, sin generación de residuos o emisión de gases tóxicos o de efecto invernadero. Entre las posibles vías para su producción se encuentra la descomposición del agua mediante fotocatálisis usando semiconductores de tipo N, tales como el dióxido de titanio (TiO2), etc. El interés de este mecanismo de producción reside en que únicamente requiere energía radiante como la que llega del sol para funcionar. Sin embargo, constituye aún una tecnología que requiere investigación para su desarrollo, pues actualmente su eficacia es muy pobre para su posible implantación en el mercado. El TiO2 es el material más empleado en este tipo de procesos como fotocatalizador. Esto se debe a que se caracteriza por tener una alta estabilidad y resistencia a la fotocorrosión, fenómeno que tiene lugar con la mayoría de los semiconductores que pudieran emplearse. No obstante, su eficacia es muy baja y el proceso se ve limitado al uso de fuentes de radiación altamente energéticas (Ultravioleta - UV). Una radiación de estas características sólo puede ser aportada a partir de mecanismos artificiales con su consiguiente gasto de energía. Sin embargo, este proceso sólo podría resultar interesante si se lleva a cabo a partir de energía solar, con lo que llegaría a ser un mecanismo limpio y barato para producir hidrógeno. Por esta razón, se hace necesaria la búsqueda de fotocatalizadores que se activen y actúen absorbiendo únicamente radiación solar y que, además, sean altamente eficaces. La modificación del TiO2 con otros materiales permite aumentar la producción de hidrógeno e incluso que el TiO2 sea capaz de absorber radiación solar para producirlo. Entre los materiales más destacados se encuentra el platino (Pt) que, depositado sobre el TiO2, aumenta drásticamente la producción de hidrógeno durante la reacción. En este proyecto de investigación se ha estudiado la actividad de un fotocatalizador en un medio compuesto por agua y metanol, con una lámpara de luz UV. Los fotocatalizadores empleados se componen de TiO2 comercial (Degussa P-25) con Pt incorporado. La actividad catalítica de los fotocatalizadores empleados se han estudiado en base a diferentes modificaciones como son: el método de impregnación con platino, la temperatura de calcinación, la cantidad de platino depositado y el pH del medio de reacción. Dicha actividad catalítica se ha evaluado en función de la cantidad de hidrógeno producida en cada uno de los ensayos realizados. Para caracterizar los materiales se han utilizado diversas técnicas de análisis, tales como: Microscopía de Transmisión de Electrones, Microscopía de Barrido de Electrones, Espectroscopía UV-Vis y Fluorescencia de Rayos X. Estas técnicas de análisis permitieron determinar el grado de dispersión del platino, la composición exacta de los fotocatalizadores, así como la banda de energía prohibida de estos materiales. Los resultados de esta investigación permiten concluir con una serie de premisas. Primero que, como ya se venía señalando, el platino es capaz de aumentar considerablemente la cantidad de hidrógeno generado. Entre los métodos de impregnación utilizados (impregnación en exceso de disolución, in-situ en el reactor y por humedad incipiente) ha sido el método insitu, que consiste en añadir los precursores directamente al medio de reacción, el que mayor actividad ofrece en las condiciones de reacción estudiadas. Además, es para un 0,5 % en peso de platino para el que más cantidad de hidrógeno se ha conseguido producir. A su vez, es posible concluir que la calcinación de los fotocatalizadores, previo a su uso en reacción, da lugar a materiales que presentan una actividad mucho más estable, al menos bajo las condiciones de reacción ensayadas. No obstante, no es posible esta calcinación para los fotocatalizadores preparado in-situ. También se ha observado que un aumento del pH, añadiendo hidróxido sódico en el medio de reacción, no es capaz de modificar la cantidad de hidrógeno producido. Cabe indicar que, tras la recuperación de un fotocalizador, éste presenta indicios de desactivación, produciendo considerablemente menos hidrógeno cuando es utilizado por segunda vez en una reacción. En los ensayos de reacción se ha utilizado metanol (MeOH), como agente de sacrificio. Se ha de señalar que se ha realizado un estudio de su eficacia y también del aporte al mecanismo de reacción a partir de la determinación por cromatografía de gases y HPLC de los subproductos que parten de este agente de sacrificio. A la vista de los resultados de la investigación, cabe señalar que, aunque la cantidad de hidrógeno generada se encuentra aún en torno a magnitudes muy bajas, la descomposición fotocatalítica de agua resulta una alternativa prometedora para obtener hidrógeno. Además, quedan todavía abiertas diferentes líneas de investigación a continuar para su desarrollo.