El ozono como socio de reacción

Esto abre nuevos caminos para el desarrollo de fotocatalizadores para el tratamiento de aguas residuales, como dice el Prof. Dr. Brückner, director de la división de LIKAT. Se le acercaron colegas de China con la solicitud de cooperación. En las regiones densamente pobladas de Asia, los contaminantes orgánicos, por ejemplo a través de los productos de degradación estable de las drogas, son un problema urgente.

Los colegas chinos habían desarrollado nuevos catalizadores y necesitaban la experiencia de LIKAT para investigaciones especiales a fin de poder preparar sus catalizadores de manera óptima. Brückner y su equipo son especialistas en el campo de la llamada espectroscopia in situ. Esto les permite seguir el funcionamiento de un catalizador durante la reacción química (in situ) y documentar su modo de acción molecular.

El carbonitruro en lugar del óxido de titanio

Los fotocatalizadores convencionales, como el dióxido de titanio, que se utiliza para recubrir los cristales de las ventanas autolimpiantes, por ejemplo, para descomponer las partículas de suciedad, funcionan de manera más eficaz con la radiación UV de alta energía. Sin embargo, la proporción de UV en la luz solar es sólo del 5 al 8 por ciento. Por ello, los químicos chinos utilizan una nueva generación de fotocatalizadores: el nitruro de carbono, que se activa con la luz visible. Se produce mediante el tratamiento térmico de la melamina, que también sirve como material de partida para las vajillas de colores hechas de termoestables.

Los colegas de China pudieron probar con éxito su catalizador con diversas sustancias que se producen durante la degradación de las drogas y que llegan a las aguas residuales. El fotocatalizador en polvo se agita en el agua y hace su trabajo como una partícula suspendida. Los colegas probaron el oxígeno y el ozono como agentes oxidantes. “El ozono demostró ser extraordinariamente eficaz”, explica el profesor Brückner. “Pero su actividad fluctuó, y eso parecía depender de las condiciones de preparación del catalizador.

Jiadong Xiao, un joven químico de la Universidad de Pekín, comenzó a investigar la causa y las condiciones óptimas para preparar el catalizador en el contexto de su tesis en el LIKAT. La investigación se llevó a cabo bajo la supervisión del Dr. Jabor Rabeah, jefe del grupo de investigación del LIKAT.

Captura e identificación de radicales

Las mediciones mostraron que una especie de radicales es responsable de la reacción de degradación real. Angelika Brückner: “Son moléculas extremadamente reactivas que atacan y descomponen inmediatamente los contaminantes del agua. Y la interacción de la luz solar, la fotocatálisis y el ozono promueve esta formación de radicales”. De hecho, los radicales fueron tan efímeros que ni siquiera la moderna tecnología de análisis del LIKAT fue capaz de identificarlos.

Para estos casos, los químicos utilizan un truco que llaman Spin-Trap: Los radicales son capturados con una molécula neutra, que se convierte en un radical en sí mismo, pero que apenas es reactivo y por lo tanto “vive” el tiempo suficiente para ser analizado. Esto permitió identificar las partículas altamente efectivas como radicales de hidroxilo, moléculas que consisten en un átomo de hidrógeno y otro de oxígeno. La alta eficacia de la combinación de fotocatalizador – luz solar – ozono en el tratamiento de aguas residuales podría explicarse por la formación extremadamente rápida de un enorme número de radicales reactivos.

El resultado del trabajo de investigación es “un nuevo concepto mecanicista” para este tipo de reacción, como dice Angelika Brückner. Los investigadores asumen que el método con este conocimiento de fondo pronto encontrará su camino en la práctica.

  • J. Xiao, Y. Xie, J. Rabeah, A. Brückner, H. Cao, Acc. Chem. Res. 2020, 53, 1024-1033.

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