Desarrollo de nanocatalizadores termicos y fototermicos. Aplicaciones tecnologicas

Abstract

La catálisis de reacciones químicas ha sido un campo de aplicación de sistemas nanotecnológicos, aun antes que el área de nanotecnología fuera establecida. Los materiales nanoporosos y las nanopartículas soportadas, y sus combinaciones, se han usado con éxito en catálisis heterogénea debido a la gran área superficial efectiva de estos materiales que permite el uso de cantidades reducidas de catalizador con alta efectividad La activación térmica de las reacciones químicas, a través del incremento en el número de moléculas que pueden superar la energía de activación, es el método más utilizado para aumentar la velocidad y controlar el tiempo de reacción. Sin embargo, presenta desventajas: resulta dificil evitar activar reacciones indeseadas junto a la de interés, es dificil cambiar rápidamente las condiciones de control y se utiliza gran parte del aporte energético en aumentar la temperatura del medio de reacción o pérdidas. Una alternativa de activación consiste en calentar sólo, o en mayor medida, al catalizador. Esto puede lograrse por efecto fototérmico Usando radiación de energía muy baja para producir efectos fotoquímicos (infrarrojo cercano) es posible calentar localmente nanopartículas activando terrnoquímicamente las reacciones en su entorno. Si la superficie activa de la nanopartícula posee actividad catalítica, será posible activar solo las reacciones de interés. Ya que la cantidad de energía aplicada no incrementa la temperatura de la solución en su conjunto, la activación solo ocurre durante la aplicación de luz. La capacidad de aumentar localmente la temperatura de nanopartículas dispersas en un fluido, o en un sólido transparente a la radiación, por absorción de radiación electromagnética permite desarrollar aplicaciones químicas y bioquímicas novedosas A lo largo de esta tesis se sintetizaron catalizadores basados en carbón a partir diferentes sistemas precursores. Se estudió la obtención de nanopartículas de carbón, derivadas de la pirólisis de resinas resorcinol-formaldehído y tanino-formaldehído, y de micropartículas de sílice mesoporosa cuya superficie porosa (interna) está recubierta con carbón. Ya que la sílice es transparente a la luz, el recubrimiento de carbón absorbe la energía de la radiación y se calienta localmente. Se determinó que es posible aumentar la temperatura del carbón por irradiación con luz (efecto fototérmico) Con el fin de otorgarles actividad catalítica a los materiales para reacciones de esterificación y transesterificación, se incorporaron grupos sulfónicos a la superficie del carbón mediante dos vías de sulfonación. La aplicación tecnológica seleccionada para evaluar los catalizadores ácidos heterogéneos obtenidos es la síntesis de ésteres por esterificación de Fischer o transesterificación, reacciones de interés para la producción de biodiesel. Los materiales mencionados fueron evaluados en reacciones de esterificación de Fischer de ácido acético y transesterificación de aceite de girasol con etanol y metanol, activadas térmica y fototérmicamente. Los catalizadores mostraron eficiencias catalíticas superiores o comparables a las que presentan catalizadores ácidos heterogéneos comerciales Se demostró en ambos casos (nanopartículas dispersas y carbón soportado en sílica mesoporosa) que es posible la activación fototérmica. La capacidad de los materiales de carbón de absorber luz en el espectro ultravioleta-visible e infrarrojo cercano hace posible su potencial aplicación como catalizador empleando energía solar como fuente de irradiación iv