Nanomateriales estructurados basados en clústeres metálicos dirigidos a procesos fotoelectrocatalíticos

Abstract

[ES] Durante décadas, los procesos químicos se han desarrollado sin tener en cuenta la repercusión en el entorno y su impacto medioambiental, pero en la actualidad, la concienciación social por el medio ambiente, ha derivado en nuevos retos para la Química moderna, retos mucho más sostenibles. Uno de estos retos es la reducción del consumo energético y una transición hacia un modelo productivo menos contaminante. El agotamiento creciente de los recursos energéticos no renovables está promoviendo la búsqueda de fuentes de energía sostenibles y respetuosas con el medio ambiente. El H2 constituye un vector de energía alternativo debido a su peso ligero, conductividad térmica satisfactoria, cero emisiones de dióxido de carbono y un alto poder calorífico. Uno de los métodos de obtención de H2 de alta pureza consiste en la reacción de evolución de hidrógeno (HER), muy atractivo en las tecnologías de conversión de energía. De entre los materiales utilizados para este fin, el Pt es el electrocatalizador más eficiente para la HER. Sin embargo, su escasez y elevado coste ha llevado a desarrollar electrodos más rentables basados en metales no nobles. Además del agua como un elemento abundante para la HER, la conversión directa de CO2 en combustibles solares y en otros productos químicos de valor añadido es una alternativa muy prometedora desde una perspectiva económica y medioambiental, considerando que este gas es un subproducto de numerosas reacciones industriales y una de las principales causas del cambio climático, debido a su continua acumulación en la atmósfera. En los últimos años, los materiales basados en clústeres octaédricos de los grupos V y VI con halógenos se han aplicado en las áreas de energía, catálisis y materiales. Los clústeres son de tamaño nanométrico y contienen unidades {M6X8} (M = Mo, W) y {M6X12} (M = Nb, Ta; X = halógenos) con una topología octaédrica, constituidas por 6 átomos metálicos interconectados mediante enlaces metal-metal. Recientemente, estos clústeres han despertado interés en el campo de la conversión de energía solar en combustibles limpios y activación del CO2. Debido a las propiedades ópticas y redox de estos clústeres, su incorporación en polímeros conductores con elevada actividad y estabilidad electroquímicas es una vía prometedora para obtener electrodos híbridos con potenciales propiedades fotoelectrocatalíticas y con actividades comparables o superiores a otros catalizadores actuales. Este es el caso del g-C3N4, que debido a su estructura aromática es capaz de transferir rápidamente electrones, además de ser fácilmente combinable con otros materiales porosos y de elevada área superficial y presentar gran estabilidad. Esto es lo que hace que este polímero sea tan atractivo y el mejor candidato para el desarrollo de estos híbridos clúster@Polimero. En este proyecto se propone el desarrollo de materiales nanoestructurados basados en polímeros conductores (g-C3N4) y clústeres octaédricos de molibdeno, así como su estudio en la reducción electrocatalítica de agua y en reacciones de valorización del CO2.

[EN] For decades, chemical processes have been developed without taking into account the repercussion on the environment and their environmental impact, but nowadays, social awareness of the environment has led to new challenges for modern chemistry, challenges that are much more sustainable. One of these challenges is the reduction of energy consumption and a transition to a less polluting production model. The increasing depletion of non-renewable energy resources is promoting the search for sustainable and environmentally friendly energy sources. H2 constitutes an alternative energy vector due to its light weight, satisfactory thermal conductivity, zero carbon dioxide emissions and high calorific value. One of the methods of obtaining high-purity H2 is the hydrogen evolution reaction (HER), which is very attractive in energy conversion technologies. Among the materials used for this purpose, Pt is the most efficient electrocatalyst for HER. However, its scarcity and high cost has led to the development of more cost-effective electrodes based on non-noble metals. In addition to water as an abundant element for HER, the direct conversion of CO2 into solar fuels and other value-added chemicals is a very promising alternative from an economic and environmental perspective, considering that this gas is a by-product of numerous industrial reactions and one of the main causes of climate change, due to its continuous accumulation in the atmosphere. In recent years, materials based on octahedral clusters of groups V and VI with halogens have been applied in the areas of energy, catalysis and materials. The clusters are nanometer-sized and contain {M6X8} (M = Mo, W) and {M6X12} (M = Nb, Ta; X = halogens) units with an octahedral topology, consisting of 6 metal atoms interconnected by metal-metal bonds. Recently, these clusters have aroused interest in the field of solar energy conversion into clean fuels and CO2 activation. Due to the optical and redox properties of these clusters, their incorporation in conductive polymers with high electrochemical activity and stability is a promising way to obtain hybrid electrodes with potential photoelectrocatalytic properties and with activities comparable or superior to other current catalysts. This is the case of g-C3N4, which due to its aromatic structure is able to rapidly transfer electrons, besides being easily combinable with other porous materials with high surface area and high stability. This is what makes this polymer so attractive and the best candidate for the development of these cluster@Polymer hybrids. This project proposes the development of nanostructured materials based on conductive polymers (g-C3N4) and octahedral molybdenum clusters, as well as their study in electrocatalytic water reduction and CO2 valorization reactions.