En el Instituto de Investigaciones en Materiales
(IIM), un equipo encabezado por Monserrat Bizarro Sordo
desarrolla materiales que, con el uso de luz, son capaces
de degradar compuestos orgánicos que contaminan el
agua.
La escasez y el deterioro del líquido crece
en México y el mundo, por ello, hay que encontrar
mecanismos que ayuden a atacar y revertir este problema
desde diferentes frentes; uno es tratar el agua y aprovecharla
en un segundo uso, explicó la científica.
Muchos de los residuos de la industria textil o
del papel, por ejemplo, producen en sus procesos enormes
volúmenes de aguas residuales y contaminantes orgánicos,
como los colorantes. Se trata de moléculas complejas,
grandes, que pueden ser tóxicas; además, aún
en bajas concentraciones manchan gran cantidad de agua.
Los ecosistemas donde se vierten -ríos, lagos o mares-
se alteran porque la luz solar no puede penetrar; además,
no son biodegradables.
Frente a este panorama, “desarrollamos materiales
capaces de degradar este tipo de compuestos con el uso de
luz”, abundó la experta. Se trata de películas
delgadas de materiales semiconductores con actividad fotocatalítica
(como el óxido de zinc, de titanio u otros óxidos
metálicos) que, por lo general, absorben luz ultravioleta.
La universitaria y su equipo estudian su estructura
y propiedades para modificarlos mediante la introducción
de “impurezas” de otros elementos químicos,
para que puedan absorber luz visible y, de esta manera,
aprovechar la que emite el Sol, energía gratuita,
limpia y prácticamente permanente.
Esas películas miden del orden de cientos
de nanómetros y hasta una micra, y se depositan sobre
un sustrato, en este caso, láminas de vidrio.
“Son de vidrio común, con una capa
de material fotocatalítico, que se introduce a un
recipiente con agua contaminada –en este caso con
colorante-; lo exponemos a la luz y después de un
tiempo la concentración del colorante disminuye,
se hace más claro hasta volverse transparente y degradarse
completamente”.
A diferencia de los fotocatalizadores en polvo
–utilizados por ser más eficientes en tiempo,
pero difíciles de remover una vez concluida la degradación
del contaminante–, las películas tienen la
ventaja de que una vez que se hace el tratamiento del líquido,
se pueden retirar fácilmente.
Tratamos de mejorar las velocidades de reacción con
la modificación de las superficies de las mismas
películas, que hacemos nanoestructuradas, porosas
o rugosas, para generar mayor superficie de contacto y aumentar
el número de reacciones, indicó Monserrat
Bizarro.
La ganadora de la Beca para las Mujeres en la Ciencia
L´Oréal-UNESCO-AMC, 2011, explicó que
se usa óxido de zinc porque es un semiconductor abundante,
económico y con un “brecha de energía
prohibida” grande, de 3.2 electrón volts.
En un material, los electrones en su estado base
“normal” están en una banda de valencia,
pero existe otra, de conducción. Un semiconductor
requiere un estímulo para que conduzca la corriente
eléctrica, que debe ser suficientemente grande para
romper la barrera o el espacio vacío que hay entre
ambas bandas. Dicha energía es proporcionada por
la luz.
“Necesitamos la cantidad suficiente para
que un electrón de la banda de valencia pase a la
de conducción, y se puedan generar reacciones de
oxidación y reducción en el momento que el
material esté en contacto con el agua contaminada”.
Los óxidos se depositan en el sustrato (lámina
de vidrio) mediante la técnica denominada de rocío
pirolítico; con ello es sencillo “dopar”
al material, es decir, colocar en la misma solución
sales precursoras o “impurezas” de algún
otro elemento.
Al cambiar un átomo por otro de distinto
elemento, “lo que hacemos es modificar su estructura
de bandas electrónicas, y en algunos casos, logramos
reducir la brecha de energía; de ese modo podemos
conseguir que se absorba luz visible”. En otras palabras,
las impurezas facilitan el camino de un electrón
de la banda de valencia a la de conducción.
Ese dopaje puede ocurrir con otros metales, como
aluminio o plata, en el caso del zinc y flúor, nitrógeno
o aluminio en el óxido de titanio, y aunque la estructura
cristalina se mantenga, la electrónica sí
se modifica.
La universitaria ha descubierto que las películas
de óxido de zinc impurificadas con aluminio producen
buenos resultados, son tres veces más eficientes
que el óxido puro. Sin embargo, al reutilizarse disminuye
esa propiedad; “se pierde eficiencia, por lo que tratamos
de mantener esa efectividad, dopándola con un segundo
elemento: la plata”. Así se mantienen las propiedades,
porque este elemento ayuda a la absorción de fotones
y a la separación de carga.
El óxido de zinc es más económico
que el de titanio, y la técnica de rocío pirolítico
es sencilla, de bajo costo, no requiere sistemas de vacío
ni reactivos de ultra alta pureza. Esa es otra ventaja de
este procedimiento que podría escalarse a nivel industrial,
refirió.
Con la investigación, dada a conocer en
revistas de circulación internacional como Applied
Catalysis B, Catalysis Today, International Journal of Photoenergy,
y Applied Surface Science, se espera obtener un
material con alta actividad fotocatalítica, capaz
de absorber luz visible, que sea estable después
de varios reusos, con buena adherencia al sustrato.
Además, hacer pruebas en un reactor solar
de mayores dimensiones, del que ya se tiene un prototipo.
De esa forma, “aportaremos un granito de arena al
mejoramiento ambiental y a la investigación científica”,
finalizó.
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