Producción fotocatalítica de hidrógeno mediante compositos TiO2/MOF199

Abstract

RESUMEN: Se prepararon compositos TiO2/MOFs, estos últimos materiales denominados redes metal-orgánicas (MOFs, del inglés) o también conocidos como polímeros de coordinación porosos (PCPs), utilizando diversas rutas de síntesis. Particularmente, se obtuvo el MOF199 que está constituido por acetato de cobre como precursor de cobre y ácido benceno 1, 3, 5-tricarboxílico como agente ligante. El MOF se incorporó al óxido de titanio comercial (TiO2, Degussa P25) por dos métodos: molienda mecánica (MM) y por el método solvotérmico a condiciones ambiente (MSA), además, se sintetizó TiO2 en autoclave a baja temperatura utilizando tetraisoproxido de titanio como precursor, en donde el MOF se adicionó previo al tratamiento térmico del autoclave (MSP), los compositos se sintetizaron en diferentes concentraciones molares, 25%, 50%, 75% y 95% La caracterización se realizó mediante análisis térmico (TGA), reflectancia difusa (UV-VIS), espectroscopia de infrarrojo (FTIR) y microscopia electrónica de barrido (MEB). La evaluación de los compositos se efectúo en la producción fotocatalítica de hidrógeno a partir de una mezcla glicerol-agua, irradiando con una lámpara de Hg-Xe, equivalente a un simulador solar. El efluente gaseoso se analizó por cromatografía de gases. De acuerdo a los resultados obtenidos, los compositos absorbieron fotones en la región UV-Vis (360-800 nm) y presentaron actividad fotocatalítica en la producción de hidrógeno bajo diferentes condiciones de operación. Se detectaron H2, CO2 y CH4, como productos principales de la reacción, los cuales podrían indicar un sistema complejo de reacciones que incluyen la reducción de protones, la mineralización y descomposición del glicerol (photo-Kolbe). El mayor rendimiento a H2 (14 μmol/g*h) se obtuvo con el composito TiO2/MOF, 1/1 (preparado por MSA). Se evaluó la estabilidad del composito en 4 ciclos continuos de reacción (8 h c/u), mostrando un perdida de la actividad inicial del 20%. El material de referencia TiO2 comercial presentó un rendimiento de hidrógeno del 7.5 μmol/g*h y el MOF199 comercial de 0.2 μmol/g*h, con lo cual se confirmó el efecto benéfico de utilizar compositos TiO2/MOF199. ABSTRACT: Composites TiO2 / MOFs were prepared using various synthetic routes, MOFs are materials called metal-organic frameworks or also known as porous coordination polymers (PCPs). Particularly, the MOF199 was obtained, which consists in copper acetate as copper precursor and benzene- 1, 3, 5-tricarboxilic acid as linker. The MOF was mixed to the commercial titanium dioxide (TiO2, Degussa P25) by two methods: mechanical milling (MM) and solvothermal method at ambient conditions (MSA), also TiO2 was synthesized by autoclave at low temperature using titanium tetra-isoproxide as precursor, where the MOF was added prior to the heat treatment in the autoclave (MSP), the composites were synthesized at different molar concentrations, 25%, 50%, 75% and 95% The characterization was done by thermal analysis (TGA), Diffuse Reflectance (UV-VIS), infrared spectroscopy (FTIR) and electron microscopy (SEM). The evaluation of composites was performed by photocatalytic hydrogen production from a glycerol-water mixture by irradiating with Hg-Xe lamp, equivalent to a solar simulator. The gaseous effluent was analyzed by gas chromatography. According to the results, the composites absorbed photons in the UV-Vis region (360-800 nm) and showed photocatalytic activity for hydrogen production under different operating conditions. H2, CO2 and CH4 were detected as principal products of the reaction, which could indicate a complex set of reactions including the reduction of protons, mineralization and decomposition of glycerol (photo-Kolbe). The highest yield to H2 (14 μmol/g*h) was obtained with the TiO2/MOF composite, 1/1 (prepared by MSA). The stability of the composite was evaluated in 4 continuous reaction cycles (8h per cycle), showing a loss of the initial activity of 20%. The reference material commercial TiO2 presented hydrogen yield 7.5mol/g*h and commercial MOF199 0.2 μmol/g*h, whereupon the beneficial effect of using composites TiO2 / MOF199 was confirmed.