Este trabajo de Tesis Doctoral se ha centrado en comprender el comportamiento de electrocatalizadores basados en materiales carbonosos para la reacción de reducción de oxígeno. Con el fin de profundizar en el conocimiento de la naturaleza de los sitios activos de catalizadores basados en materiales carbonosos para esta reacción, se han seleccionado o preparado muestras con diferentes composiciones, texturas porosas y estructuras. De estos resultados se han conseguido importantes avances en el conocimiento del papel que los sitios activos de catalizadores basados en materiales carbonosos desempeñan en dicha reacción. Estos conocimientos y los materiales derivados pueden utilizarse en el desarrollo de cátodos para pilas de combustible en medio alcalino. / Heiwa Nakajima Foundation

Esta Tesis Doctoral trata sobre la funcionalización de materiales carbonosos con elevado contenido de microporosidad con grupos funcionales nitrogenados y su uso como electrodos de supercondensadores y electrocatalizadores de la reacción de reducción de oxígeno. De este modo, este trabajo describe la incorporación de grupos funcionales nitrogenados mediante distintas metodologías en materiales carbonosos de elevada microporosidad (carbones activados y materiales carbonosos nanomoldeados), su caracterización química y electroquímica en distintos electrolitos (orgánicos, acuosos y líquidos iónicos) y su comportamiento en las aplicaciones propuestas.

Esta tesis doctoral se ha centrado en la preparación de fotocatalizadores nanoestructurados basados en TiO2 modificados con metales de transición o carbón activado para su aplicación en reacciones de interés medioambiental, concretamente, en la eliminación de tres contaminantes: ácido acético y diurón, en fase acuosa, y propeno en fase gas. Se ha estudiado la influencia de las propiedades fisicoquímicas (porosidad, cristalinidad, composición química, propiedades electrónicas) de cada material en su actividad fotocatalítica.

Esta tesis doctoral se ha centrado en el diseño y la síntesis de óxidos inorgánicos con estructura macroporosa altamente activos en la combustión de carbonilla y el control de emisiones de NOx mediante el ciclo NSR. Estos materiales, que incluyen óxidos mixtos de estroncio y titanio, óxidos de cerio, praseodimio y lantano, con y sin cobre en su composición, han sido estudiados para entender la relación entre las propiedades físico-químicas de los materiales y su comportamiento catalítico, de modo que se puedan diseñar catalizadores óptimos para cada aplicación.

La presente Tesis Doctoral consiste en el diseño y preparación de materiales basados en óxido de titanio y titanosilicatos para su aplicación en diversas reacciones catalíticas tanto desde un aspecto medioambiental como para la síntesis de compuestos de interés industrial, concretamente se estudiaron la fotooxidación de propeno, la oxidación selectiva de propileno y la descomposición de amino borano. Respecto al desarrollo y preparación de los materiales se ha analizado la influencia de las condiciones de preparación de los catalizadores y fotocatalizadores en las propiedades más importantes de los mismos (porosidad, la cristalinidad, la química superficial y composición química, entre otros) que pudieran tener influencia en su actividad catalítica.

The Preferential CO Oxidation (CO-PROX) is a promising catalytic strategy to remove CO residual content from H2-rich streams. Mixed copper and cerium oxide catalysts are materials that display an excellent performance towards COPROX reaction by means of synergistic interaction the copper and cerium-rich phases. Alternatively, mixed manganese oxides are proposed as active supports with very positive catalytic features when these are loaded with copper species. This Project Thesis comprises a detailed study on the implementation of copper oxide – manganese oxide catalysts in CO-PROX reaction and the establishment of a critical comparison with regards to the consolidated cerium-based catalysts.

Los adhesivos de poliuretano se han empezado a usar en medicina. Además, en la actualidad debido al desarrollo de la química verde se busca la obtención de polímeros biodegradables, y hasta donde sabemos no existen precedentes del desarrollo de adhesivos de poliuretano biodegradables. Desde el desarrollo del primer poliuretano hasta nuestros días la mayoría de los polioles y extendedores de cadena utilizados para la obtención de poliuretanos derivan de subproductos del petróleo. Una alternativa a la utilización de subproductos del petróleo, una materia prima no renovable, son los derivados naturales, tales como la colofonia (componente principal de la resina de los pinos) y de aceites vegetales, ya que son abundantes y de origen natural, los cuales además podrían proporcionar biodegradabilidad a los adhesivos de poliuretano, obteniéndose poliuretanos ecológicos. Este trabajo se centra en la síntesis y caracterización de nuevos adhesivos de poliuretano obtenidos empleando un diol de un aceite natural (el aceite de tung) y colofonia, así como el estudio de su degradación térmica y en medios biológicos. La incorporación de colofonia como extendedor de cadena en la síntesis de adhesivos de poliuretano le afecta tanto a las propiedades de los poliuretanos termoplásticos como a los adhesivos de poliuretano. Debido a la existencia de un ácido carboxílico en la estructura de la colofonia, la reacción con los grupos isocianato finales del prepolímero de uretano es factible, produciéndose el anclaje de las moléculas de colofonia en el extendedor de cadena en el extremo de las cadenas del poliuretano, proporcionando hot tack a los adhesivos de poliuretano. La incorporación de solamente colofonia como extendedor de cadena produce la aparición de cristalización fría en el poliuretano. La estabilidad térmica de los poliuretanos disminuye al adicionar colofonia en el extendedor de cadena, disminuyendo la cantidad de segmentos blandos, generando la aparición de nuevos segmentos duros uretano-amida. Se produce una mayor separación de fases entre los segmentos duros y blandos. Además, la adición de colofonia disminuye la cristalinidad de los poliuretanos, tanto más cuanto mayor es su cantidad en el extendedor de cadena. La adición de colofonia produce un aumento de la pegajosidad, particularmente a temperaturas inferiores a 60ºC. Sin embargo, las fuerzas de pelado en T de uniones serraje/adhesivo de poliuretano/serraje son bajas debido al descenso de la cristalinidad y aumento del contenido de segmentos duros uretano-amida en los poliuretanos. Sin embargo, las fuerzas de cizalla de uniones aluminio/adhesivo de poliuretano/aluminio son altas. La degradación térmica produce una disminución del módulo elástico en los poliuretanos con colofonia en el extendedor de cadena, ya que su estructura segmentada cambia produciéndose la degradación preferiblemente en los segmentos duros. Las propiedades adhesivas también disminuyen tras la degradación térmica cuando los poliuretanos contienen colofonia en el extendedor de cadena. Por otra parte, la degradación de los poliuretanos en medios biológicos produce también un cambio en la estructura de los poliuretanos disminuyendo su estabilidad térmica, aunque es menos pronunciado que el producido por la degradación térmica. La adición de diol de aceite de tung en el poliol imparte cristalización fría y disminuye la cristalinidad de los poliuretanos, tanto más cuanto mayor es su cantidad en el poliol. Además, la estabilidad térmica de los poliuretanos disminuye al adicionar diol de aceite de tung en el poliol y cambia la estructura segmentada de los poliuretanos, favoreciendo la formación de nuevos segmentos duros, de manera que dominan las propiedades elásticas en todo el rango de temperaturas estudiado. Por otra parte, la pegajosidad de los poliuretanos disminuye al adicionar diol de aceite de tung en el poliol, las fuerzas de pelado en T son bajas y las fuerzas de cizalla son altas, disminuyendo gradualmente al incrementar el contenido de diol de aceite de tung en el poliol. La adición de diol de aceite de tung en el extendedor de cadena disminuye la estabilidad térmica de los poliuretanos debido a que disminuye la cantidad de segmentos blandos en los poliuretanos y se crean nuevos segmentos duros. Por otra parte, la temperatura y entalpía de fusión de los poliuretanos disminuyen al adicionar diol de aceite de tung en el extendedor de cadena, tanto más cuanto mayor es su cantidad en el extendedor de cadena. Además, la cristalinidad de los poliuretanos disminuye y el módulo elástico aumenta al adicionar diol de aceite de tung en el extendedor de cadena, tanto más cuanto mayor es su cantidad, debido a la creación de una estructura menos reticulada, produciéndose una mayor separación de fases, lo que da lugar a una disminución de la temperatura de transición vítrea. Por último, la pegajosidad de los poliuretanos disminuye drásticamente con la adición de diol de aceite de tung en el extendedor de cadena, y las fuerzas de pelado en T y de cizalla aumentan. La adición de diol de aceite de tung como parte del extendedor de cadena facilita la degradación térmica de los poliuretanos de forma más efectiva que al introducirlo como parte del poliol. Además, la degradación térmica cambia la estructura segmentada de los poliuretanos obtenidos con diol de aceite de tung de forma diferente dependiendo de si se incorpora como parte del poliol o como parte del extendedor de cadena durante la síntesis de los poliuretanos. La degradación térmica de los poliuretanos se produce preferentemente en los segmentos duros y las propiedades adhesivas disminuyen drásticamente tras la degradación térmica. / Este trabajo de tesis doctoral se enmarca en el proyecto europeo del séptimo programa Marco Disc Regeneration No. NMP3-LA-2008-213904, así como los proyectos MAT2010-19904 del Ministerio de Economía y Competitividad y ACOMP/2011/254 de la Generalidad Valenciana.

En la búsqueda de alternativas viables y limpias medioambientalmente para la obtención de energía, las tecnologías basadas en el uso del hidrógeno y los dispositivos electroquímicos como las pilas de combustible son las alternativas energéticas que mayor interés han despertado en la actualidad. Surgiendo así el término “economía del hidrógeno” con el objetivo de encontrar nuevos métodos de producir y almacenar hidrógeno con el fin de reducir la dependencia energética de los combustibles fósiles, de una forma limpia y renovable. El hidrógeno podría ser generado a partir de otras fuentes primarias como las renovables o la nuclear. En esta Tesis Doctoral, se han preparado catalizadores basados en nanopartículas de paladio soportadas sobre materiales carbonosos para su uso en pilas de combustible (reacción de reducción de oxígeno y reacción de oxidación de metanol) y la producción de hidrógeno a través de la descomposición de ácido fórmico. Los catalizadores de Pd soportados han sido evaluados como electrocatalizadores para la reacción de reducción de oxígeno en medio alcalino, estudiando el efecto de las diferentes estructuras de los soportes, así como el efecto del polímero empleado como agente protector. La actividad electrocatalítica de los catalizadores de Pd sintetizados en la reacción de reducción de oxígeno mejora al quitar el PVP mediante un tratamiento térmico. El empeoramiento de la actividad catalítica se observa sobre todo en las muestras soportadas sobre nanotubos de carbono (Pd/NT) y negro de carbón Vulcan (Pd/V). Mientras que en la muestra soportada sobre un negro de carbón de elevada área superficial (Pd/CD), el efecto debido al polímero no es significativo como consecuencia de la interacción de la microporosidad del soporte con las moléculas de PVP unidas a las nanopartículas metálicas. También se evaluó la estabilidad de estos catalizadores, comprobándose en el catalizador Pd/CD que, tras alcanzar una corriente estable, se mantiene durante 12 h, solo disminuyendo un 82% la corriente inicial. También se empleó el catalizador Pd/CD_TT como cátodo en una MEA, utilizando el catalizador comercial de Pt como ánodo, en una pila de combustible, obteniéndose un óptimo rendimiento con una baja cantidad de paladio. Se ha evaluado la actividad electrocatalítica del catalizador Pd/CD en la reacción de oxidación de metanol y estudiado el efecto del agente protector empleado en la síntesis de las nanopartículas metálicas. Se observa que el catalizador que conserva una cantidad remanente del agente protector (PVP) presenta una mejor actividad que la muestra en la que se ha eliminado el polímero térmicamente. Por tanto, las moléculas de PVP ancladas a las nanopartículas de Pd poseen un efecto positivo en la actividad catalítica de la oxidación de metanol. Además, ambos catalizadores presentan una buena estabilidad, no decreciendo la actividad en el ciclo 10. Por otro lado, también se realizó un estudio mediante espectroscopía FTIR in situ del cual se observó que el principal producto de la oxidación del metanol en medio alcalino es el formiato. Los catalizadores basados en nanopartículas de Pd recubiertas de PVP y soportadas en varios materiales de carbono, fueron evaluados en la reacción de descomposición del ácido fórmico en la fase líquida. Entre los catalizadores investigados, los preparados con el soporte de MWCNT mostraron el mejor rendimiento, lo que podría estar relacionado con su estructura 1D y su superficie externa altamente disponible. Además, los catalizadores basados en PVP-Pd mostraron mejores actividades en comparación con las muestras sin PVP, lo que podría atribuirse al aumento de la hidrofilicidad de los materiales y de la interacción con el ácido fórmico. Este aumento de la hidrofilicidad favorece la dispersión de los catalizadores en el medio de reacción y mejora el contacto entre las moléculas de reactivo y los sitios catalíticos activos. Se podría considerar que la selección adecuada del agente de protector y del soporte catalítico, con estructura porosa adaptada, daría lugar a sistemas catalíticos prometedores para la presente aplicación. Los catalizadores de Pd soportados han sido evaluados como electrocatalizadores para la reacción de reducción de oxígeno en medio alcalino, estudiando el efecto de las diferentes estructuras de los soportes, así como el efecto del polímero empleado como agente protector. La actividad electrocatalítica de los catalizadores de Pd sintetizados en la reacción de reducción de oxígeno mejora al quitar el PVP mediante un tratamiento térmico. El empeoramiento de la actividad catalítica se observa sobre todo en las muestras soportadas sobre nanotubos de carbono (Pd/NT) y negro de carbón Vulcan (Pd/V). Mientras que en la muestra soportada sobre un negro de carbón de elevada área superficial (Pd/CD), el efecto debido al polímero no es significativo como consecuencia de la interacción de la microporosidad del soporte con las moléculas de PVP unidas a las nanopartículas metálicas. También se evaluó la estabilidad de estos catalizadores, comprobándose en el catalizador Pd/CD que, tras alcanzar una corriente estable, se mantiene durante 12 h, solo disminuyendo un 82% la corriente inicial. También se empleó el catalizador Pd/CD_TT como cátodo en una MEA, utilizando el catalizador comercial de Pt como ánodo, en una pila de combustible, obteniéndose un óptimo rendimiento con una baja cantidad de paladio. Se ha evaluado la actividad electrocatalítica del catalizador Pd/CD en la reacción de oxidación de metanol y estudiado el efecto del agente protector empleado en la síntesis de las nanopartículas metálicas. Se observa que el catalizador que conserva una cantidad remanente del agente protector (PVP) presenta una mejor actividad que la muestra en la que se ha eliminado el polímero térmicamente. Por tanto, las moléculas de PVP ancladas a las nanopartículas de Pd poseen un efecto positivo en la actividad catalítica de la oxidación de metanol. Además, ambos catalizadores presentan una buena estabilidad, no decreciendo la actividad en el ciclo 10. Por otro lado, también se realizó un estudio mediante espectroscopía FTIR in situ del cual se observó que el principal producto de la oxidación del metanol en medio alcalino es el formiato. Los catalizadores basados en nanopartículas de Pd recubiertas de PVP y soportadas en varios materiales de carbono, fueron evaluados en la reacción de descomposición del ácido fórmico en la fase líquida. Entre los catalizadores investigados, los preparados con el soporte de MWCNT mostraron el mejor rendimiento, lo que podría estar relacionado con su estructura 1D y su superficie externa altamente disponible. Además, los catalizadores basados en PVP-Pd mostraron mejores actividades en comparación con las muestras sin PVP, lo que podría atribuirse al aumento de la hidrofilicidad de los materiales y de la interacción con el ácido fórmico. Este aumento de la hidrofilicidad favorece la dispersión de los catalizadores en el medio de reacción y mejora el contacto entre las moléculas de reactivo y los sitios catalíticos activos. Se podría considerar que la selección adecuada del agente de protector y del soporte catalítico, con estructura porosa adaptada, daría lugar a sistemas catalíticos prometedores para la presente aplicación.

La eliminación de contaminantes emergentes como los tensioactivos en fuentes acuosas es uno de los principales desafíos que enfrenta el tratamiento de aguas residuales. Los tensioactivos son contaminantes difíciles de tratar debido a su gran variedad y uso. Existe una amplia variedad de tensioactivos dependiendo de su aplicación. Estos han generado un impacto negativo en el medio ambiente debido al inadecuado tratamiento de sus residuos, donde la mayoría de estos se depositan en fuentes de agua, como ríos y mares afectando a la vida silvestre y al ecosistema debido a su marcada actividad biológica, afectan al ecosistema. Los tensioactivos son moléculas anfifílicas que tienen una parte hidrofílica (cabeza) y una parte hidrofóbica (cola) y son compuestos que modifican la tensión superficial en la interfase. Cuando su concentración es menor que la concentración micelar crítica (CMC) están en solución en forma de monómeros, mientras que cuando su concentración es superior a la CMC forman micelas. Por este motivo, se utilizan como detergentes, emulsionantes, desinfectantes y humectantes. Aunque existe una amplia gama de tecnologías para la remoción, destrucción, transformación o aprovechamiento de residuos líquidos, los sistemas de tratamiento convencionales empleados actualmente son inadecuados para remover completamente los surfactantes del agua, por lo que se requieren tratamientos más efectivos con el fin de reducir el impacto ambiental de los efluentes y cumplir con unas normativas legislativas que son cada vez más estrictas. Uno de estos procesos alternativos es la adsorción en carbones activados, debido a sus bajos costos y especificidad. El carbón activado es un adsorbente que se puede obtener a partir de materiales de desecho, como desechos de llantas o desechos lignocelulósicos, que tiene la capacidad de adsorber diversas sustancias, junto con una gran facilidad y rapidez de eliminación del medio tratado y la capacidad de ser regenerado para su reutilización, lo que permite un tratamiento eficiente y económico en diversas aplicaciones. Por tal razón este proyecto de investigación se centra en el desarrollo de materiales porosos que permitan retirar de manera eficiente surfactantes presentes en solución acuosa. Para ello se prepararon carbones activados desde dos residuos diferentes como son: desechos de llantas y cáscara de coco. Se realizo el tratamiento de la materia prima, empleando dos tamaños de partícula 0,3mm y 5,0mm y se procedió a la preparación de los carbones activados empleando activación física con dióxido de carbono y activación química con hidróxido de potasio y ácido fosfórico al 10, 20, 30 y 40 %p.p-1, a una velocidad de calentamiento de 2°C.min-1, con un flujo de 100mL.min-1 y empleando dos temperaturas finales de carbonización 700 y 900°C. Se obtuvo un total de 65 sólidos de carbón, a los cuales se realizó caracterización estructural, textural y química. En base a esa caracterización y realizando un diseño experimental por Minitab se eligieron 32 muestras con las cuales se realizaron estudios de adsorción y estudios cinéticos con tres diferentes surfactantes: aniónico, catiónico y no-iónico.

La presente Tesis Doctoral se centra en el diseño y preparación de materiales carbonosos dopados con nitrógeno para su aplicación como cátodos en la reacción de reducción de oxígeno. Esto se ha realizado a través de dos enfoques. En primer lugar, el enfoque computacional, que ha permitido profundizar en los mecanismos de la reacción, el efecto del pH, así como identificar los grupos funcionales nitrogenados más activos. Por otro lado, este estudio también se ha realizado a través de la síntesis química de estos materiales, empleando tratamientos térmicos de polianilina a diferentes temperaturas y empleando diferentes atmósferas en el tratamiento térmico. Parámetros, tales como porosidad, orden estructural, conductividad eléctrica y, sobre todo, los grupos funcionales nitrogenados, han sido ampliamente caracterizados y estudiados. Posteriormente, el estudio de la actividad catalítica de los materiales carbonosos dopados con nitrógeno sintetizados ha demostrado que todas estas propiedades juegan un papel clave en la catálisis de esta reacción, haciendo especial hincapié en la presencia de heteroátomos y defectos en la matriz carbonosa.