Deposición de nanopartículas metálicas y óxidos metálicos en materiales porosos utilizando CO2 supercrítico

El Laboratorio de Equilibrio de Fases y Fluidos Supercríticos de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Complutense ha desarrollado una tecnología para depositar nanopartículas de metales y óxidos metálicos sobre soportes porosos o planos con estructuras complejas utilizando CO₂ supercrítico.

La deposición de nanopartículas metálicas u óxidos metálicos sobre soportes porosos presenta mucho interés por el gran número de aplicaciones de estos materiales compuestos. Se utilizan en medicina (como agentes de contraste o en liberación de fármacos), como sensores, materiales para almacenamiento de H₂, en mircoelectrónica, células de combustible, para reforzar fibras, en catálisis heterogénea, etc.

El soporte poroso permite estabilizar las nanopartículas inhibiendo su crecimiento y su agregación, a la vez que preserva las propiedades de las nanopartículas. Por otro lado, las nanopartículas depositadas en el soporte crean sitios activos en el material pudiendo provocar una sinergia que mejore las propiedades de los materiales porosos y las nanopartículas por separado.

Fig. 1: Esquema del método de deposición de materiales utilizando CO₂ supercrítico.

 

 

 

Fig. 2: Reactor agitado de
alta presión.  

  

¿Cómo funciona?:

 

Cuando el CO₂ se calienta por encima de 31°C a una presión superior a 7,4 MPa se convierte en fluido supercrítico. El CO₂ supercrítico tiene densidades intermedias entre las de los líquidos y los gases, pero propiedades de transporte (difusividad, viscosidad) similares a las de los gases. Todas estas propiedades, junto a la baja tensión superficial del CO₂ con superficies sólidas, permiten introducir precursores metálicos (metal – orgánicos) disueltos en él en el interior de materiales porosos. Además, las propiedades del CO₂ pueden modularse con pequeños cambios de presión o temperatura, lo que permite cambiar las propiedades del material final.

Un esquema del procedimiento utilizado se muestra en la figura 1. El precursor metálico disuelto en CO₂ supercrítico impregna el soporte y luego es descompuesto química o térmicamente. La descomposición puede llevarse a cabo tras la despresurización o en condiciones supercríticas. Si la descomposición se realiza tras la despresurización se obtienen nanopartículas metálicas dispersas por el soporte de manera muy homogénea; si la reducción se realiza en condiciones supercríticas se obtienen partículas de mayor tamaño, nanohilos o películas continuas.

Con esta técnica ya se han preparado ópalos inversos de SiO₂ y Pd-SiO₂ en los que hay presentes macroporos resultantes del molde utilizado y mesoporos producidos en la reacción sol-gel en CO₂ supercrítico. También se han depositado distintos metales como Pd, Ru, Ni y sus óxidos sobre sílice mesoporosa ordenada y carbones activos. Los experimentos se han realizado utilizando reactores agitados de alta presión (figura 2). En el caso de los materiales compuestos Pd/SiO₂ se ha demostrado la elevada actividad catalítica de los mismos en reacciones de hidrogenación, tanto en agua como en CO₂ supercrítico.

La caracterización estructural de los materiales obtenidos se lleva a cabo por rayos X (ángulo bajo y alto), análisis térmico (TGA, DTA), adsorción de N₂, espectroscopia FTIR y UV-vis, microscopía electrónica (SEM y TEM), análisis de la composición por EDX e ICP-OES… También se realiza la caracterización funcional de los materiales.

Ventajas:

 

Utilizando CO₂ supercrítico como disolvente y medio de reacción en la síntesis de materiales compuestos se pueden introducir precursores metálicos en el interior de los micro y mesoporos de distintos sustratos porosos de manera más eficiente que con los métodos convencionales (en medio líquido o en fase gas). Los materiales producidos son muy homogéneos a nivel microscópico y las nanopartículas presentan una forma y tamaño regular con una distribución estrecha de tamaños a la vez que están dispersas uniformemente en el material (figura 3). El proceso de impregnación del CO₂ permite mantener íntegra la estructura del soporte.

El CO₂ es considerado como un disolvente sostenible al tener parámetros críticos moderados, ser barato, inocuo, incombustible y poder ser reciclado. Además, el CO₂ es un gas en condiciones atmosféricas que se elimina fácilmente del material por simple despresurización y no deja residuos.

Fig. 3: Nanopartículas y nanohilos de Pd depositados en el interior de los mesoporos de SiO₂–SBA-15 utilizando CO₂ supercrítico.