Exploring artificial photosynthesis : reductive processes on surfaces

[Resumen] El aumento cada vez mayor de la concentración de CO2 en todo el planeta preocupa enormemente por su implicación en el efecto invernadero y sus consecuencias. Por este motivo, en la actualidad existen varias líneas de investigación que buscan reducir su concentración en la atmósfera. Una de ellas es su transformación mediante fotorreducción bajo la luz solar en otros compuestos menos perjudiciales y que puedan resultar útiles; pero para ello es necesario sintetizar catalizadores activados por la luz solar que sean capaces de llevar a cabo dicha reacción con éxito, tarea relacionada con el área de la fotoquímica y fotocatálisis y en la que se centra este proyecto. Así pues, en el presente Trabajo de Fin de Grado se llevó a cabo la síntesis y caracterización de nanopartículas de ZnO y ZnO funcionalizado con monoetanolamina (MEA) con el propósito de utilizarlas como fotocatalizadores para la reducción de CO2 a otros derivados como CO, HCO2H, HCHO, CH3OH y CH4; y comparar sus rendimientos. Para caracterizar los productos obtenidos se utilizaron las siguientes técnicas: difracción de rayos X en polvo (DRX-P), fluorescencia de rayos X (FRX), espectroscopía de IR (FT-IR), microscopía electrónica de transmisión (MET) y de barrido (MEB), adsorción de N2 y espectroscopía de reflectancia difusa UV-Vis (ERD). La composición de los gases resultantes de la fotorreducción fue seguida mediante cromatografía de gases (CG). Se comprobó que ambos productos sintetizados se correspondían a nanopartículas de ZnO de estructura wurzita con un 98% de pureza y eran activados con la luz solar. Además, el producto funcionalizado efectivamente estaba enlazado covalentemente a la MEA y obtenía una mayor adsorción de N2 frente al ZnO. El procedimiento, en su conjunto, apunta a la existencia de un proceso de fotorreducción de CO2. Sin embargo, no fue posible llevar a cabo comparaciones entre la eficiencia de ambos catalizadores, dado que los productos esperados estaban por debajo del límite de detección[Resumo] O aumento cada vez maior da concentración de CO2 en todo o planeta preocupa enormemente pola súa implicación no efecto invernadoiro e as súas consecuencias. Por este motivo, na actualidade existen varias liñas de investigación que buscan reducir a súa concentración na atmosfera. Unha delas é a súa transformación mediante fotorreducción baixo a luz solar noutros compostos menos prexudiciais e que poidan resultar útiles; pero para iso é necesario sintetizar catalizadores activados pola luz solar que sexan capaces de levar a cabo dita reacción con éxito, tarefa relacionada coa área da fotoquímica e fotocatálise e na que se centra este proxecto. Así pois, no presente Traballo de Fin de Grao levouse a cabo a síntese e caracterización de nanopartículas de ZnO e ZnO funcionalizado con monoetanolamina (MEA) co propósito de utilizalas como fotocatalizadores para a redución de CO2 a outros derivados como CO, HCO2H, HCHO, CH3OH e CH4; e comparar os seus rendementos. Para caracterizar os produtos obtidos utilizáronse as seguintes técnicas: difracción de raios X en po (DRX-P), fluorescencia de raios X (FRX), espectroscopia de IR (FT-IR), microscopia electrónica de transmisión (MET) e de varrido (MEV), adsorción de N2 e espectroscopia de reflectancia difusa UV-Vis (ERD). A composición dos gases resultantes da fotorreducción foi seguida mediante cromatografía de gases (CG). Comprobouse que ambos os produtos sintetizados correspondíanse a nanopartículas de ZnO de estrutura wurzita cun 98% de pureza e eran activados coa luz solar. Ademais, o produto funcionalizado efectivamente estaba enlazado covalentemente á MEA e obtiña unha maior adsorción de N2 fronte ao ZnO. O procedemento, no seu conxunto, apunta á existencia dun proceso de fotorreducción de CO2. Con todo, non foi posible levar a cabo comparacións entre a eficiencia dos dous catalizadores, dado que os produtos esperados estaban por baixo do límite de detección.[Abstract] The worlwide increase of CO2 concentration is highly worrying, due to its involvement in greenhouse effect and the corresponding consequences. For this reason, there are currently several research lines aiming to reduce CO2 concentration in the atmosphere. One of these is its photoreductive transformation to less environmentally lesive (and more useful) compounds using sunlight. For this, it is necessary to use catalysts that may be photoactivated by sunlight and that are able to successfully perform this reaction. This is fully involved in the fields of photochemistry and photocatalysis for Green Chemistry purposes, the core of this project. In this End of Degree Thesis we carried out the synthesis and characterization of ZnO and monoethanolamine (MEA)-functionalized ZnO nanoparticles, with the aim to used them as photocatalysts for the reduction of CO2 to other derived molecules, such as CO, HCO2H, HCHO, CH3OH or, ideally, CH4, and to compare their yields. To characterize the obtained products we used the following techniques: X-ray powder diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), Fourier transformed IR spectroscopy (FT-IR), transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM), N2 adsorption and diffuse reflectance spectroscopy (DRS). The final gas composition after photoreductin was followed by gas chromatography (GC). Both synthesized photocatalysts showed a wurzite ZnO structure, with 98% purity and were sunlight activated. Besides, the functionalized catalyst was covalently bonded to MEA and showed a higher N2 adsorption as compared to ZnO. The procedure, as a whole, points to the existence of a photoreduction of CO2. However, it was not possible to carry out efficiency comparisons between both catalysts, as the expected products were below detection limits.Traballo fin de grao (UDC.CIE). Química. Curso 2015/201