Estudio fotocatalítico de redes orgánicas covalentes COFs funcionalizados con metales fotoactivos

Abstract

Los contaminantes orgánicos provenientes de residuos industriales son peligrosos tanto para la vida acuática como para el medio ambiente en general. Entre este tipo de contaminantes se destacan los colorantes por su estructura molecular estable, que le permite persistir en el agua. Los procesos de oxidación avanzada (POA) surgieron como métodos eficaces y sostenibles para el tratamiento de contaminantes recalcitrantes como los colorantes. Dentro de los POA se encuentra la fotocatálisis heterogénea basada en la activación de un semiconductor (el fotocatalizador) mediante la absorción de fotones con energía mayor o igual al ancho de su banda prohibida propiciando la formación de radicales, que al entrar en contacto con las moléculas del colorante desencadenan una serie de reacciones redox llevando incluso a la mineralización de los colorantes. Las redes orgánicas covalentes (COFs, en inglés, Covalent Organic Frameworks) dada su estructura ajustable surgen como fotocatalizadores prometedores, pues se pueden acoplar con diferentes estructuras moleculares para ampliar el rango de absorción de luz, mejorar la recolección de luz y transferencia de cargas fotogeneradas. El objetivo de esta tesis fue realizar la síntesis del COF TpBpy funcionalizado con metales fotoactivos tales como renio y rutenio para la degradación de los colorantes azul de metileno (AM) y rojo congo (RC). Para ello, en primer lugar, se sintetiza el COF TpBpy a partir de los monómeros 1,3,5-triformilfloroglucinol (Tp) y 2,2′bipiridina-5,5′-diamina (Bpy). Luego, mediante modificación post-sintética el COF se funcionaliza con renio (Re-COF) y con rutenio (Ru-COF). Los materiales obtenidos se caracterizaron por FTIR, DRX en polvo, análisis BET, UV-Vis y SEM. Posteriormente, se realizan pruebas de adsorción en oscuridad y mediante la irradiación de luz simulada se realiza el estudio de degradación para diferentes concentraciones iniciales de colorantes (AM 5x10-5, AM 2,5x10-5M, AM 1x10-5M, RC 7,5x10-5M, RC 5x10-5M y RC 2,5x10-5M). Por último, se evalúa y compara el desempeño fotocatalítico de los tres fotocatalizadores (COF, Re-COF y Ru-COF). Los resultados obtenidos, indicaron que los tres fotocatalizadores mostraron actividad fotocatalítica para la degradación de los colorantes RC y AM, lo que es consistente con sus bandas prohibidas, que permiten absorber luz en el rango visible. Tanto la adsorción como la fotocatálisis son afectadas por la concentración inicial y las propiedades de cada fotocatalizador, donde se determinó que para el AM la concentración óptima de adsorción-fotocatálisis fue de 2,5x10-5M, mientras que para el RC fue de 7,5x10-5M. El Re-COF presentó la mayor eficiencia de degradación bajo luz visible en todos los casos estudiados. En cambio, el Ru-COF presentó la menor eficiencia de degradación bajo luz visible para los 3 casos. El rendimiento fotocatalítico total (adsorción-fotocatálisis) de los COFs con metales no mejoró significativamente con respecto al COF original. Por otra parte, para una concentración de 5x10-5M el Ru COF presentó una diferencia considerable en su rendimiento fotocatalítico total, pasando de un valor cercano al 25% para el AM a un 80% para el RC. Se concluye, además, que la elevada capacidad de adsorción que mostraron los materiales estudiados en general representa un desafío para los estudios fotocatalíticos de degradación de colorantes. Ya que, al reducir significativamente la cantidad de colorante en solución, dificulta una evaluación precisa de la eficiencia fotocatalítica. Por último, se propone la realización de análisis adicionales para confirmar la correcta incorporación de los metales en la estructura del COF e identificar posibles causas de la disminución de la eficiencia bajo luz visible del Ru-COF y optimizar su desempeño en futuras aplicaciones.