Diseño de nanomateriales mediante procesos de molienda mecanoquimica para aplicaciones cataliticas y electroquimicas
- Autores: Daily Rodríguez Padrón
- Directores de la Tesis: Rafael Luque Álvarez de Sotomayor (dir. tes.), Alina-Mariana Balu (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Nicholas Gathergood (presid.), Rafael Lucena Rodríguez (secret.), Majd Al Naji (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Química Fina por la Universidad de Córdoba
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Helvia
- Resumen
1. introducción o motivación de la tesis El presente proyecto de tesis doctoral se ocupa del diseño de nanomateriales con aplicaciones potenciales en dos campos importantes: 1) el diseño de dispositivos de almacenamiento de energía y 2) catálisis heterogénea, en ambos casos para el desarrollo de procesos más sostenibles que contribuyan a mejorar el cambio climático. Hoy en día, la mayoría de los desafíos que enfrenta la humanidad están relacionados con la energía y el medio ambiente, incluida la escasez de agua y recursos, los requisitos de energía y el agotamiento de las fuentes de combustibles fósiles. En particular, las demandas de energía, ya sea en el sector del transporte o para aplicaciones estacionarias, son prioridades en todos los programas y agendas científicas del mundo. Por lo tanto, muchas investigaciones apuntan actualmente a encontrar nuevos materiales con mejores resultados electroquímicos para el desarrollo de una nueva generación de dispositivos de almacenamiento de energía sostenible. Además, el desarrollo de una industria química más sostenible requiere procesos altamente eficientes y, por lo tanto, la preparación de sistemas catalíticos activos y selectivos.1 2.contenido de la investigación En esta tesis doctoral se han empleado métodos mecanoquímicos para el diseño de nanomateriales, incluyendo varios nanobioconjugados basados en proteínas y nanopartículas magnéticas, así como nanopartículas de óxido metálico soportadas en soportes mesoporosos y nanopartículas de óxidos metálicos, sintetizadas empleando residuos de biomasa como plantilla de sacrificio. La mecanoquímica ofrece varias ventajas, relacionadas con su alta reproducibilidad, versatilidad, simplicidad y, especialmente, a su carácter ecológico relacionado con la posibilidad de evitar el uso de solventes y reactivos adicionales. Los estudios sobre mecanoquímica han aumentado considerablemente en las últimas dos décadas, no obstante, como una línea de investigación abierta, aún es necesario dedicar muchos esfuerzos para aprovechar al máximo sus grandes potencialidades.2 En particular, a través de este trabajo se ha diseñado una estrategia sintética mecanoquímica para la preparación de bioconjugados, minimizando los tiempos de reacción y los costos asociados con el uso de solventes y otros reactivos. Como alternativa a los materiales inorgánicos, los productos electroactivos orgánicos, como las proteínas, han abierto nuevas oportunidades para el diseño de dispositivos innovadores de almacenamiento de energía con una mayor capacidad teórica, seguridad, sostenibilidad y bajo costo. Las baterías recargables y los supercapacitores electroquímicos (EC) se encuentran entre los ejemplos más representativos de dispositivos de almacenamiento de energía.3 La construcción de EC con alta densidad de energía y alta potencia se ha convertido en un tema prioritario para el desarrollo de dispositivos futuros. La investigación en este campo se ha centrado en la síntesis de nanomateriales porosos activos, tales como óxidos metálicos, hidróxidos o materiales a base de carbono. Estos materiales proporcionan una alta capacidad, pero tienen varias desventajas, incluidos altos costos, etapas de fabricación, escalabilidad difícil, además de no ser respetuosos con el medio ambiente. Con el fin de superar los inconvenientes inherentes de los materiales inorgánicos convencionales, se han empleado recientemente metaloproteínas que contienen grupos hemo.4 Sin embargo, el desarrollo de sistemas híbridos de hemoproteínas y nanopartículas (NP) para el diseño de supercapacitores sostenibles aún no se ha investigado a fondo, siendo una idea altamente innovadora y relevante para el diseño de materiales que podrían convertirse en un producto potencialmente aplicable. Por lo tanto, esta tesis doctoral tuvo como objetivo sintetizar nanoestructuras híbridas de metaloproteínas y nanopartículas a través de una metodología mecanoquímica, como una estrategia económica, sostenible y versátil, para el diseño de una nueva generación de supercapacitores electroquímicos.
Otra aplicación potencial de estos sistemas híbridos proteína-nanopartícula es su uso en procesos de catálisis biomimética. Inspirada en la síntesis in vivo de polímeros naturales, donde las enzimas juegan un papel importante como catalizadores, la polimerización enzimática in vitro se ha desarrollado ampliamente para diseñar una amplia gama de materiales avanzados.5 En particular en este proyecto, los bioconjugados basados en hemoproteínas se han utilizado para la preparación de nanopartículas fluorescentes basadas en carbono siguiendo una estrategia bottom-up. De manera similar, los puntos cuánticos de carbono con comportamiento fluorescente se han preparado mediante una metodología top-down a partir de residuos de biomasa y utilizando óxido de hierro soportado en materiales mesoporosos como catalizador.
La valorización de la biomasa ha sido uno de los principales temas cubiertos en esta tesis, tanto para los productos químicos como para los materiales. La biomasa constituye, junto con el CO2, una de las fuentes de carbono renovables más abundantes. Por lo tanto, el uso de moléculas de plataforma derivadas de biomasa para la preparación de productos químicos de valor agregado, para sustituir la industria química basada en petróleo, es una opción muy atractiva. En particular, a lo largo de esta tesis, se han empleado moléculas plataforma derivadas de biomasa tales como ácido levulínico e isoeugenol para la síntesis de N-heterociclos y vanillina, respectivamente. Es importante resaltar que, a través de la valorización de la biomasa, también se pueden obtener materiales de valor agregado, representando una metodología amigable con el medio ambiente. En este sentido, varios residuos de biomasa, incluidos los desechos de café expendido, la clara de huevo de huevos caducados y la cáscara de naranja han sido tratados mediante protocolos mecanoquímicos para la preparación de materiales nanoestructurados con propiedades morfológicas y texturales controladas.
3.conclusión En resumen se puede decir, que los métodos mecanoquímicos pueden ser empleados para la preparación de una amplia gama de materiales, desde bioconjugados, hasta nanopartículas soportadas y óxidos metálicos empleando residuos de la biomasa como plantillas de sacrificio. Los materiales preparados mediante metodologías mecanoquímicas, además del inherente carácter sostenible dado que no se utilizan disolventes ni reactivos adicionales en el proceso de síntesis, han mostrado resultados comparables e incluso mejorados con respecto a materiales similares obtenidos mediante métodos convencionales. Teniendo en cuenta las premisas mencionadas anteriormente, este trabajo de tesis puede allanar el camino para el desarrollo de una Química Sostenible y para integrar las estrategias de Química e Ingeniería Verde.
4. bibliografía D. Rodríguez‐Padrón, A. R. Puente‐Santiago, A. M. Balu, M. J. Muñoz‐Batista, R. Luque, ChemCatChem, 2019, 11(1), 18-38.
M. J. Muñoz Batista, D. Rodríguez-Padrón, A. R. Puente Santiago, R. Luque, ACS Sustain. Chem. Eng., 2018, 9530-9544.
Q. Lu, M. W. Lattanzi, Y. Chen, X. Kou, W. Li, X. Fan, K. M. Unruh, J. G. Chen and J. Q. Xiao, Angew. Chem., Int. Ed., 2011, 50, 6847–6850 P. Poizot and F. Dolhem, Energy Environ. Sci., 2011, 4,2003 Zhang, Y., Ge, J., & Liu, Z., ACS Catalysis, 2015, 5, 4503
