Síntesis de MXenos y su actividad catalítica en la reacción de oxidación de estireno a benzaldehído.

Abstract

[ES] Recientemente, ha surgido una nueva familia de materiales 2D, conocidos como MXenos, que están basados en carburos laminares de metales de transición. Debido a sus excepcionales propiedades en términos de multifuncionalidad, conductividad y estabilidad química, se han venido estudiando para su utilización en el almacenamiento de carga electroquímica, apantallamiento electromagnético, filtración, y un amplio abanico de aplicaciones adicionales. De forma general, la síntesis de los MXenos consiste en una exfoliación química de un precursor denominado fase MAX con un agente decapante como el HF. En este proceso se persigue eliminar las capas intermedias formadas por un metal de transición, un elemento del grupo 13 ó 14 (Al o Si) y C o N. Este trabajo se va a centrar en el estudio de MXenos sintetizados a partir de la fase MAX de Ti3AlC2. En primer lugar, se van a estudiar distintos parámetros de síntesis de MXenos, tales como concentración de agente decapante, tiempos de exfoliación química, moléculas intercalantes y condiciones de exfoliación. Por otro lado, sabemos que el HF es un reactivo peligroso y tóxico por lo que en este trabajo también se estudiarán posibles rutas de síntesis de Mxenos en ausencia de HF para hacer que el proceso sea más seguro y respetuoso con el medioambiente.Teniendo en cuenta las buenas propiedades catalíticas que presentan a priori los MXenos debido a su elevada reactividad y superficie, se propone en este trabajo utilizar estos materiales como catalizadores heterogéneos en la reacción de oxidación del estireno para la obtención de benzaldehído, compuesto de alto interés ya que se utiliza principalmente como intermedio para aplicaciones industriales. La producción industrial de benzaldehído se lleva a cabo por la oxidación catalítica de tolueno a ácido benzoico o por la hidrólisis de cloruro de bencilo. Estos procesos no solo presentan una baja conversión catalítica y un bajo rendimiento, sino que además generan una gran cantidad de residuos, y además necesitan elevadas temperaturas y elevados tiempos de reacción. Por lo tanto, este trabajo se centrará en buscar una alternativa para la obtención de benzaldehído, a partir de la reacción de oxidación del estireno, utilizando los MXenos como alternativa al uso de catalizadores homogéneos, ya que la elevada estabilidad de los MXenos facilita su posible reutilización, lo cual es bastante interesante a nivel industrial. Además, se utilizará como oxidante en la reacción, el peróxido de hidrógeno como alternativa a otros oxidantes tradicionales (por ejemplo: K2Cr2O7 o HNO3) ya que el peróxido de hidrógeno es económico y benigno a nivel medioambiental, con un alto contenido en oxígeno activo y produce como único subproducto agua. Finalmente, los catalizadores sintetizados en este trabajo se caracterizarán mediante diversas técnicas como: microscopía electrónica de barrido (SEM) y de transmisión (TEM), espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS), difracción de rayos X (DRX), espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) y adsorción física de gases.

[EN] Recently, a new family of 2D materials, known as MXenes, has emerged, which are based on transition metal laminar carbides. Due to their exceptional properties in terms of multifunctionality, conductivity and chemical stability, they have been studied for use in electrochemical charge storage, electromagnetic shielding, filtration, and a wide range of additional applications. In general, the synthesis of MXenes consists of a chemical exfoliation of a precursor called MAX phase with a stripping agent such as HF. In this process, the aim is to remove the intermediate layers formed by a transition metal, a group 13 or 14 element (Al or Si) and C or N. This work will focus on the study of MXenes synthesized from the MAX phase of Ti3AlC2. Firstly, we are going to study different parameters of MXenes synthesis, such as stripping agent concentration, chemical exfoliation times, intercalating molecules and exfoliation conditions. On the other hand, we know that HF is a dangerous and toxic reagent, so in this work we will also study possible synthesis routes of Mxenes in the absence of HF to make the process safer and more environmentally friendly. Taking into account the good catalytic properties presented a priori by MXenes due to their high reactivity and surface area, it is proposed in this work to use these materials as heterogeneous catalysts in the oxidation reaction of styrene to obtain benzaldehyde, a compound of high interest since it is mainly used as an intermediate for industrial applications. The industrial production of benzaldehyde is carried out by the catalytic oxidation of toluene to benzoic acid or by the hydrolysis of benzyl chloride. These processes not only have low catalytic conversion and low yield, but also generate a large amount of residues, and also require high temperatures and high reaction times. Therefore, this work will focus on finding an alternative for obtaining benzaldehyde, from the oxidation reaction of styrene, using MXenes as an alternative to the use of homogeneous catalysts, since the high stability of MXenes facilitates their possible reuse, which is quite interesting at industrial level. In addition, hydrogen peroxide will be used as an oxidant in the reaction as an alternative to other traditional oxidants (e.g. K2Cr2O7 or HNO3) since hydrogen peroxide is economical and environmentally benign, with a high active oxygen content and produces water as the only by-product. Finally, the catalysts synthesized in this work will be characterized by different techniques such as: scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and physical gas adsorption.