Nueva familia de materiales para degradar contaminantes orgánicos con luz

Los Covalent Organic Frameworks (COFs) son materiales orgánicos porosos y cristalinos, fácilmente diseñables y versátiles, formados mediante la unión de enlaces covalentes de diferente naturaleza. Su desarrollo reciente ha supuesto una revolución en el sector de los nuevos materiales, con un amplio rango de posibles aplicaciones que van desde la producción y el almacenamiento de gases a la catálisis.

Ahora, el grupo FRONCAT de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), especializado en empleo de COFs en procesos fotocatalíticos, ha sintetizado una serie de estos materiales que contienen fragmentos fotoactivos derivados de fenilfenotiazina (PTH) y trifenilamina (TPA). Según demuestran, estos experimentos podrían ser útiles para la degradación de diferentes contaminantes orgánicos en presencia de luz.

“La combinación de la excelente fotoactividad del PTH y la versatilidad y robustez de los COF nos hizo pensar en la posible aplicación de una nueva familia de materiales para degradar contaminantes orgánicos con luz”, afirma el coautor Alberto López Magano.

De acuerdo con los resultados, publicados en la revista Materials Today Chemistry, la sustitución progresiva de PTH por TPA permite modular la actividad fotocatalítica, cambiando drásticamente el mecanismo por el que transcurre la degradación.

Experimentos y resultados

Los autores se preguntaron qué sucedería al reemplazar fragmentos tipo PTH por un bloque de construcción isoestructural, como el TPA, y las consecuencias mecanísticas que podría conllevar.

“Con esta meta en mente —aseguran— llevamos a cabo la síntesis de 5 materiales con diferentes proporciones de PTH y TPA. Tras su completa caracterización por diversas técnicas, evaluamos su actividad fotocatalítica en la degradación de tres contaminantes orgánicos persistentes modelo: el PBDE-1, el Rojo de Sudán III y el Azul de Metileno”.

Al aumentar la proporción de PTH en el material, se lograron mejores resultados en la degradación del PBDE-1 y el Rojo de Sudán III. Sin embargo, el Azul de Metileno fue degradado más eficientemente al incrementar la proporción de TPA.

Experimentos mecanísticos adicionales revelaron que los materiales ricos en PTH desencadenan procesos de transferencia electrónica, mientras que los COFs en los que predomina el TPA dan lugar a procesos de transferencia energética.

En el caso del Rojo de Sudán III, la degradación transcurre mediante la generación de oxígeno singlete. “Fuimos capaces de reciclar del material rico en PTH en la degradación del PBDE-1 y solo 1 mg de catalizador. También fuimos capaces de generar 50 mg de producto deshalogenado, lo que pone de manifiesto la excelente actividad fotocatalítica y robustez del COF”, afirma el director del grupo, el Dr. José Alemán.

Contaminantes orgánicos persistentes

La contaminación es uno de los principales problemas a los que se enfrenta la humanidad en nuestros días. En concreto, los contaminantes orgánicos persistentes suponen una amenaza para la salud humana, dado que son resistentes a la degradación, bioacumulables y tóxicos. Un caso particular de contaminantes orgánicos persistentes son los éteres de difenilo polibromados (PBDE), generalmente utilizados como retardadores de llama. Los tintes sintéticos son otra clase de especies químicas contaminantes de uso común en las industrias textil, alimentaria o cosmética. Entre estos, los colorantes azoicos como el Rojo de Sudán III son una de las clases de contaminantes más perjudiciales, debido a que son muy persistentes en el medio acuático. Los tintes aromáticos, como el Azul de Metileno, proceden de la fabricación de productos relacionados con la inyección de tinta, fotografía y xerografía, así como industrias textiles y celulósicas.

Por lo general, se requieren dos vías diferentes para lograr la degradación de contaminantes orgánicos en función de su estructura y naturaleza: procesos de transferencia electrónica y de transferencia energética. De esta manera, es necesario encontrar estrategias para dirigir y modular estos procesos y lograr así su degradación selectiva. Una posible solución consiste en el empleo de materiales porosos, como los COFs.

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Referencia bibliográfica:

Jiménez-Almarza, A.; López-Magano, A.; Cano, R.; Ortín-Rubio, B.; Díaz-García, D.; Gomez-Ruiz, S.; Imaz, I.; Maspoch, D.; Mas-Ballesté, R.; Alemán, J. 2021. Engineering Covalent Organic Frameworks in the Modulation of Photocatalytic Degradation of Pollutants under Visible Light Conditions. Materials Today Chemistry 22, 100548. 

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