1. Síntesis del proyecto En este proyecto se presenta la fotoreducción con luz solar de agua y de dióxido de carbono para producir diferentes combustibles (H2, CH4, CH3OH, etc.) como alternativas a los combustibles fósiles (petróleo, carbón, etc.), ya que éstos liberan a la atmósfera grandes cantidades de dióxido de carbono y otros contaminantes y además, se prevé que sus reservas se agoten dentro de pocos años. Entre estos combustibles destaca la producción de hidrógeno molecular, el cual se ha erigido en los últimos años como una alternativa real al uso del petróleo, ya que es un transportador energético muy eficiente y su combustión produce agua en un ciclo cerrado. Además, la fotorreducción del dióxido de carbono ayudaría a reducir la concentración de este contaminante en la atmósfera, generando compuestos con un valor añadido, útiles para el consumo humano. Para ello, se propone utilizar catalizadores que se componen de óxidos metálicos semiconductores (Cu2O, Bi2O3), ya sean como materiales a granel o nanoparticulados, nanopartículas de metales conductores (Ag, Co), o una combinación de ambos tipos de materiales. Los materiales con tamaño nanométrico tienen unas características ópticas y electrónicas únicas y diferentes del material a granel, además ofrecen una superficie de contacto mucho mayor. Por lo tanto, mediante el control del tamaño de las partículas se puede tener un control de la estructura de bandas electrónicas del material y, por ende, se puede encontrar el tamaño óptimo de partícula con el que se lleve a cabo el proceso de fotorreducción de una forma eficiente, el cual es necesario para producir los combustibles alternativos mediante un proceso económico y amigable con el medio ambiente. Cabe destacar que los recursos minerales asociados a los materiales de partida que se van a utilizar se encuentran en México y tienen una abundancia muy significativa, lo que les podría conferir un valor adicional, en un futuro próximo. Este grupo de investigación cuenta con gran experiencia en la síntesis de estos nanomateriales, así como en el control del tamaño de las partículas y el soporte de unos materiales en otros. Para la síntesis de estos materiales se van a utilizar métodos ya reportados por este grupo de investigación, además se dispone de los materiales necesarios para iniciar los estudios. Con todo esto, se pretende optimizar la síntesis de un material idóneo para la fotorreducción de agua y dióxido de carbono. Se anexa un documento (Propuesta Dr. David Díaz PAPIIT-2014.pdf) que contiene la propuesta de forma íntegra.

3. Propuesta y contribución del proyecto En el presente proyecto proponemos el desarrollo de nanoestructuras semiconductoras, metálicas y sus nanocompositos combinados para su evaluación en la generación de hidrógeno y/o en la reducción de CO2. Los materiales nanoestructurados ofrecen la posibilidad de variar la posición de las bandas de valencia y de conducción mediante el control de tamaño de los mismos, toda vez que se encuentran en régimen de confinamiento cuántico. De esta manera es posible obtener mejores materiales para los propósitos mencionados, debido a una mejor sintonía de los niveles energéticos involucrados (ver Figura 1, en el archivo PDF anexo). Al mismo tiempo, el incremento del área específica de un material (al disminuir el tamaño) puede conllevar a un aumento del número de centros de recombinación superficial, en el caso de los semiconductores. La presencia simultánea de estos efectos implica la existencia de un tamaño óptimo para cada nanomaterial. Entre los materiales cuyo estudio proponemos se encuentran los semiconductores Cu2O y Bi2O3, y los metales Ag y Co; el TiO2 y el ZnO podrían ser usados como referencia. El uso del Bi2O3 en la degradación fotocatalítica de la Rodamina B [14,15] o el ácido naranja 7 [16] ha sido ampliamente documentado; sin embargo, la fotocatálisis ha sido escasamente explorada en este material para la producción de H2 o la reducción de CO2 [17,18,19]. Por otro lado, el Cu2O es conocido por su potencial en la ruptura fotocatalítica del agua [20,21] y la fotoactivación de CO2 [22,23]. Pero, la alta velocidad de recombinaciones [23] y la oxidación de este material a CuO [20] son problemas que persisten en la actualidad. La ingeniería de la estructura de bandas electrónicas a través del control del tamaño y el empleo de nanoestructuras metálicas, son campos que ofrecen alternativas poco investigadas en estos sistemas. Los semiconductores y los metales que proponemos en este proyecto presentan potencialidades para el fin que perseguimos [20-23], pero un estudio encaminado a la búsqueda del tamaño óptimo, para el cual se maximice la actividad catalítica, no ha sido reportado en ninguno de los casos. Además, la combinación de estos metales y semiconductores puede potenciar la separación de cargas fotogeneradas (al minimizar las recombinaciones) y la presencia de los metales también puede favorecer la catálisis de las reacciones de oxidación y/o reducción asociadas. Al mismo tiempo, los materiales propuestos se pueden obtener a partir de recursos naturales abundantes en México, por lo que este estudio podría incidir en el aumento de su valor agregado. Es importante destacar que nuestro grupo cuenta con una experiencia de más d 17 años en la síntesis y caracterización de nanopartículas semiconductoras y metálicas [24], así como en la degradación fotocatalítica de algunos compuestos [24j]. Todos los aspectos antes mencionados constituyen fuertes motivaciones para la realización de nuestra propuesta de trabajo. Considerando los aspectos y antecedentes anteriormente expuestos, los principales aportes científicos inherentes a nuestra propuesta se pueden resumir como sigue: • Aprovechar el efecto de confinamiento cuántico para aumentar el poder reductor de la banda de conducción y el poder oxidante de la banda de valencia de los semiconductores sujetos a estudio: Bi2O3 y Cu2O. Esto puede potenciar la actividad fotocatalítica en la obtención de H2 y en la activación de CO2, mediante el control del tamaño de las nanoestructuras. • Encontrar el tamaño óptimo de las nanoestructuras de Bi2O3 y Cu2O para la obtención fotocatalítica en de H2 y en la activación de CO2. La búsqueda de este aprámetro obedece al hecho de que al disminuir el tamaño de partícula pueden aumentar sus capacidades reductoras y/u oxidantes y su área específica, pero también puede disminuir el intervalo espectral de absorción y aumentar las pérdidas por recombinaciones superficiales. Este tipo de estudio, a pesar de su clara importancia, no ha sido reportado en la literatura para los materiales que proponemos. • Depósito de nanopartículas metálicas de Ag y Co (de manera independiente) en la superficie de las nanoestructuras de Bi2O3 y CuO, como coadyuvantes en la separación de cargas fotogeneradas, la absorción de la radiación y la catálisis de reacciones de oxidación, o reducción. Igualmente, este estudio sería el primero en su tipo.