La urea es una sustancia común en la industria química y representa una alternativa de bajo coste al uso de metales nobles en catalizadores. Investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona la han usado para producir capas híbridas orgánicas-inorgánicas con grafeno para la remediación ambiental, como en el caso de la fotodegradación de antibióticos en aguas residuales. La composición y los enlaces químicos de las capas enriquecidas con urea se han estudiado en el sincrotrón ALBA.
La cantidad de contaminantes en el agua y el aire, así como en nuestro hogar y lugar de trabajo está aumentado debido a la creciente actividad humana. La contaminación por antibióticos es, sin duda, uno de los mayores retos hasta la fecha, en un momento en que la resistencia de las bacterias a los antibióticos se ha identificado como la próxima crisis pandémica mundial.
Desde hace ya un tiempo, se estudia el uso de fotocatalizadores semiconductores para la remediación ambiental, ya que éstos pueden degradar o mineralizar una amplia gama de contaminantes orgánicos y patógenos. Las investigaciones actuales abordan algunos de los inconvenientes que impiden su uso a gran escala.
Por un lado, muchos fotocatalizadores se activan solo con luz ultravioleta, que representa únicamente una pequeña fracción de la emisión solar total disponible. Por otro lado, la recombinación de los pares electrón-hueco fotogenerados que permiten la descomposición del contaminante es generalmente más rápida que las reacciones de oxidación responsables de la degradación de las moléculas orgánicas. Como consecuencia, metales nobles que pueden aceptar electrones, como el platino o el oro, se utilizan como co-catalizadores, necesarios en el proceso.
La urea, una sustancia común en la industria química, así como en el metabolismo de los mamíferos, ha sido identificada como un material útil para abordar estos problemas. La urea es un precursor de nitruro de carbono grafítico (g-C3N4), una familia de compuestos semiconductores con un ancho de banda más cerca de la luz visible que en los semiconductores más habituales, tales como el TiO2, utilizados en la fotodegradación de materiales orgánicos.
Hasta ahora, las capas enriquecidas con g-C3N4 se producían con una técnica en dos etapas que consume bastante energía, ya que necesita de altas temperaturas de calcinación seguidas de un proceso de deposición. Además, la urea contribuye a la separación de portadores de carga fotogenerados, evitando así la recombinación electrón-hueco y, por lo tanto, incrementando la eficiencia de la fotodescomposición.
La nueva técnica básada en la utilización de láseres, desarrollada por científicos del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), junto con científicos del Sincrotrón ALBA y de los institutos nacionales de láseres y de física de materiales en Rumania, supone un nuevo método en una sola etapa para la síntesis de g-C3N4 a partir de urea, la formación de placas de grafeno y la deposición simultánea de materiales híbridos.
Nanopartículas de titanio y grafeno
Los materiales de partida fueron nanopartículas de óxido de titanio y placas de óxido de grafeno (GO) y urea. Mediante la irradiación de esta mezcla con láser UV, en una técnica llamada evaporación reactiva asistida por matriz mediante láser pulsado (abreviada MAPLE en inglés), tiene lugar simultáneamente la transformación química y la deposición en forma de películas delgadas.
Las capas híbridas orgánicas-inorgánicas incorporan el alto poder de oxidación del TiO2, la mejora de la movilidad de los electrones y permiten la adsorción de contaminantes en una estructura porosa de grafeno. Además, la actividad fotocatalítica necesita menos energía gracias al g-C3N4 y permite tener una fase de oxidación más larga debido a la separación y transferencia de portadores de carga fotoinducidos por las moléculas de urea.
"Se han logrado eficiencias de degradación muy altas sin la adición de cocatalizadores de metales nobles, abriendo una nueva vía para la síntesis inducida por luz de materiales y nuevos compuestos a partir de moléculas orgánicas", explica Enikö György, investigadora del ICMAB-CSIC.
Todas estas ventajas resultaron en una fotodegradación muy eficiente tanto de colorantes orgánicos como de antibióticos.
Para la caracterización detallada de las propiedades de este compuesto semiconductor se usó la técnica de microespectroscopía FTIR en la línea de luz MIRAS del sincrotrón ALBA. Debido a la baja concentración de algunos elementos, la intensidad del haz de luz de sincrotrón (hasta 1000 veces más potente que los utilizados en la microespectroscopía FTIR convencional) fue clave para estudiar la configuración de los enlaces químicos presentes en los constituyentes de las capas delgadas.
Los resultados, publicados en el Journal of Materials Science, mostraron que una parte significativa de las moléculas iniciales de urea fueron transferidas a la superficie del sustrato sin alteraciones químicas, creando capas finas híbridas orgánicas-inorgánicas.
La técnica desarrollada en este estudio abre un camino más rápido y eficiente para la síntesis de materiales compuestos para la remediación ambiental. Esta producción en una sola etapa de un material fotoactivo evita el uso de productos químicos adicionales, así como los procesos a alta temperatura, ambos aspectos importantes en los procesos de fabricación a mayor escala en la industria.
Referencia bibliográfica:
Laser-induced synthesis and photocatalytic properties of hybrid organic–inorganic composite layers. R. Ivan, C. Popescu, A. Perez del Pino, I. Yousef, C. Logofatu, E. György. Journal of Materials Science, 54 (2019) 3927-3941
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