Evaluación del dióxido de titanio como mediador para la reacción de síntesis de Etanol a partir de dióxido de carbono

Abstract

El crecimiento constante de las necesidades energéticas del mundo, además de la fuerte dependencia a las fuentes no renovables de energía como el petróleo y sus derivados y, teniendo en cuenta la problemática ambiental que crece exponencialmente gracias a las emisiones de dióxido de carbono, hacen del desarrollo sostenible y la preservación del medio ambiente piezas fundamentales en el avance socioeconómico de la humanidad. De acuerdo con la Environmental Protection Agency, en Estados Unidos las emisiones de dióxido de carbono al ambiente son producidas en un 95 % por los vehículos automotores, sin que ese CO2 sea reutilizado en otros procesos. Por eso la importancia de generar el cierre del ciclo del carbono en el que la contaminación emitida al ambiente (CO2), pueda ser utilizada como materia prima para la obtención de alcoholes de bajo peso molecular destinados para la producción de biocombustibles. Por otra parte, óxidos metálicos como el dióxido de titanio y el óxido de hierro (III), con propiedades semiconductoras y fotosensibles son ampliamente utilizados en el estudio de la energía fotovoltaica. Estas propiedades pueden ser utilizadas también para llevar a cabo reacciones de óxido-reducción en presencia de luz solar que sea capaz de generar portadores de carga en dichos materiales. Este proyecto se enfoca en la presentación de una alternativa energética que ayude a mitigar el gasto desenfrenado de fuentes no renovables de energía como lo es el petróleo. Donde el dióxido de carbono es reducido en presencia de agua, un par redox y TiO2 bajo iluminación de luz ultravioleta. Dichas condiciones permiten la generación de portadores de carga, pares electrón-hueco, que al llegar a la superficie del TiO2 generan una reacción redox, oxidando agua, produciendo oxígeno y reduciendo CO2, produciendo entre otros compuestos etanol, que puede ser utilizado en la industria de los biocombustibles, cerrando el ciclo de carbono (en el sector transporte) y aliviando la industria alimenticia (sector azucarero). Cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas permitieron identificar etanol en un alto porcentaje de probabilidad (78%) después de 48 horas de reflujo, bajo luz ultravioleta y posterior destilación, demostrando que la reducción del CO2 es posible en las condiciones de trabajo. Direccionando futuros esfuerzos e investigaciones en incrementar la obtención de etanol a partir del proceso llevado a cabo en este trabajo permitirá en el futuro contar con un nuevo proceso de producción de dicho alcohol cerrando el ciclo de carbono y evitando la competencia de mercados (Combustibles vs. Alimentos.

Constant growing of world’s energetic needs, our still strong dependence to non-renewable energy sources, such as petroleum and its derivatives and the exponentially increasing environmental contamination and problems thanks to green-house emissions, such as carbon dioxide, make sustainability and environmental preservation part of the cornerstones in socio-economical advance of mankind. According to the Environmental Protection Agency (EPA) in United States, 95% of the carbon dioxide emissions are produced by transportation sector, without reusing that CO2 in other processes. This is why, closing the carbon cycle is very important to avoid increasing net CO2 concentrations and to promote reusing this CO2 as feedstock for other purposes, such as producing low molecular weight alcohols to be used in combustibles market. On the other hand, metallic oxides such as titanium dioxide or iron (III) oxide, with semiconductive and photo-sensible properties are widely used in photovoltaics. These properties also can be used in order to drive redox reactions under sunlight illumination capable of generate charge carriers in these kind of materials. This project aims to present an energetic alternative which helps to mitigate the exponentially growing use of non-renewable energy sources. In this project, carbon dioxide is reduced in water presence, a redox pair and TiO2 under UV illumination. These conditions are appropriate for the generation of charge carriers, electron-hole pairs, which after sorting recombination processes reach the material’s surface and are able to drive a redox reaction, oxidising water producing molecular oxygen and reducing CO2, producing ethanol among other compounds. Consequently, this ethanol can be used in biofuels industry, firstly, closing the carbon cycle (in transportation sector) and secondly relieving food industry (sugar sector). Mass spectrometry coupled to gas chromatography (GC-MS) allowed to identify the presence of ethanol in a high probability (78%) after a reflux of 48 hours, under UV illumination and posterior distillation demonstrating that CO2 reduction is possible in this working conditions. Addressing future efforts and researches in rising ethanol concentration using the process mentioned above will allow science and industry to have an alternative ethanol production process closing the carbon cycle and avoiding a market competence (Fuels vs Food).