Son películas del orden de cientos de nanómetros y hasta una micra; se depositan sobre un sustrato, en este caso, láminas de vidrio
En el Instituto de Investigaciones en Materiales, 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 LAURA ROMERO residuales y contaminantes orgánicos, como los colorantes. Son moléculas complejas, grandes, que pueden ser tóxicas; aun 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.
Introducción de impurezas
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 por completo.”
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 pelí- culas tienen la ventaja de que una vez que se hace el tratamiento del líquido, pueden retirarse 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 área de contacto y aumentar el número de reacciones”, indicó Monserrat Bizarro.
Abundante y económico
La ganadora de la Beca para las Mujeres en la Ciencia L´Oréal-Unesco-AMC, 2011, dijo que se usa óxido de zinc porque es un semiconductor abundante, económico y con una “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, aunque hay 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 puedan generarse 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.
Tres veces más eficientes
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 al ámbito 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 reúsos, 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.
