Estudio comparativo del uso de diferentes agentes de sacrificio para la producción de hidrógeno mediante fotocatálisis heterogénea utilizando el mineral arena negra como semiconductor

Comparative study of the use of different agentsof sacrifice for the production of hydrogen by heterogeneous photocatalysis using the mineral black sand as a semiconductor

El mineral arena negra es una mezcla de óxidos de hierro (FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄), TiO₂ y SiO₂ dispuestos en una estructura natural, que podría ser utilizado como semiconductor. En este trabajo se evaluó el efecto del agente de sacrificio para la generación fotocatalítica de hidrógeno utilizando este material como catalizador. Para tal fin se evaluó el efecto de variables del proceso tales como tipo de agente de sacrificio (EDTA, Na₂SO₃ y metanol) normalmente utilizados como donadores de electrones en la reacción fotocatalítica de producción de hidrógeno, pH inicial de la suspensión (3.0, 7.0 y 9.0) y la concentración del sustrato. Estas variaron entre 1.0, 25.0 y 50.0 mM (EDTA, Na₂SO₃) y 10.0, 30.0 y 50.0% (v/v) para metanol. Bajo las condiciones de reacción evaluadas, los niveles de máxima producción de hidrógeno fueron Na₂SO₃> EDTA> CH₃OH, respectivamente, y la máxima producción de hidrógeno se obtuvo con 25.0 mM Na₂SO₃ en medio ácido (pH 7.0). La degradación de EDTA y simultánea producción de hidrógeno mediante reacción fotocatalítica se vieron favorecidos a pH 3.0 y una concentración 1.0 mM.

1. Introducción

Debido a la demanda energética mundial, la industria se ha visto obligada a incrementar la producción de crudo, carbón o gas natural o, como en los últimos tiempos, a explorar otras fuentes energéticas que contribuyan a suplir esta demanda. Una de estas opciones ha sido la utilización de energías alternativas, las cuales han mostrado ventajas desde el punto de vista ambiental y económico debido a la reducción de emisiones gaseosas contaminantes (CO₂) y a la posibilidad de emplear recursos  renovables para su obtención [1, 2, 3]. Entre estas, la producción de hidrógeno es una alternativa energética debido a su elevado poder calorífico y combustión limpia [4]

 Durante las últimas décadas ha crecido el interés por convertir la energía solar en energía química [5], por ejemplo, mediante procesos fotoquímicos  que a través de reacciones fotocatalíticas son capaces de producir hidrógeno por efecto de la sensibilización de un semiconductor con luz, cuya función es la generación de radicales libres responsables de la oxidación/reducción [6]. La principal desventaja ha sido la baja actividad de los semiconductores activados bajo radiación visible para disociar el agua, y que los catalizadores sintetizados que han mostrado mejor desempeño son activados con longitudes de onda del espectro UV [2]. Además, los niveles de producción de hidrógeno mediante esta técnica aún no son atractivos para la industria.

Con el fin de incrementar la eficiencia del proceso fotocatalítico, se han utilizado agentes de sacrificio para evitar la recombinación del par electrón/ hueco responsable de la generación de radicales que disocian la molécula de agua. Esta alternativa implica la degradación del agente de sacrificio debido a las reacciones de oxidación/reducción promovidas por los radicales [7],  y algunos de estos, tales como EDTA y metanol, están presentes en aguas residuales domésticas e industriales [2, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 4].

Aunque tradicionalmente se ha utilizado el TiO2 como semiconductor en procesos fotocatalíticos, minerales tales como ilmenita y esfarelita han sido utilizados como semiconductores para la degradación fotocatalítica de compuestos organoclorados  [12],  debido  a  que la disposición de diferentes  compuestos en este tipo de agregados minerales los convierte en una especie de catalizadores dopados de manera natural que podrían ser utilizados en diferentes procesos de oxidación/reducción.