OFERTA DE TRANSFERENCIA DEL CONOCIMIENTO

GRUPO Y UNIVERSIDAD: Preparación y actividad de materiales multifuncionales y procesos Fisicoquímicos en Química Sostenible –GRUPO 910632 UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID
Científico responsable: Albertina Cabañas Poveda
Nombre: DEPOSICIÓN DE NANOPARTÍCULAS
Departamento/sección: Departamento de Química-Física
Facultad /Centro: Facultad de Ciencias Químicas
e-mail: a.cabanas@quim.ucm.es
Teléfono: 91-3945225
Página web con información adicional:

TÍTULO:

Deposición de nanopartículas metálicas y óxidos metálicos sobre soportes porosos utilizando CO2 supercrítico

Se propone una tecnología sostenible 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 catálisis heterogénea, células de combustible, en medicina (como agentes de contraste o en liberación de fármacos), como sensores, para reforzar fibras, materiales para almacenamiento de H2, en mircoelectrónica, …
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 mejorar las propiedades de los soportes y las nanopartículas por separado.

¿Cómo funciona? / ¿En qué consiste?: (aproximadamente 500 palabras)
(Descripción detallada de los principios científico-técnicos, procesos, procedimientos, capacidades, recursos o conocimientos en los que se basa la oferta)
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 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.

Figura 1. Esquema del método de deposición de metales utilizando CO2 supercrítico.

Con esta técnica ya hemos depositado nanopartículas de Pd, Pt, Ru, Ni y algunos óxidos metálicos sobre sílice mesoporosa ordenada, carbones mesoporosos y óxido de grafeno reducido. Los experimentos se han realizado utilizando reactores agitados de alta presión (figura 2). En el caso de los materiales de Pd, Pt y Ru soportados, se ha demostrado la elevada actividad catalítica y selectividad de los mismos en reacciones de hidrogenación modelo.

Figura 2. Reactor agitado de alta presión.

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…
Ventajas: (máximo 300 palabras)
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 en CO2 mantiene 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.

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

¿Dónde se ha desarrollado?:

La técnica se ha desarrollado en el Laboratorio de Equilibrio de Fases y Fluidos Supercríticos de la Facultad de Ciencias Químicas por el grupo de investigación “Preparación y Actividad de materiales multifuncionales y procesos Físicoquímicos en Química Sostenible” que trabaja en la preparación de materiales utilizando fluidos supercríticos como alternativa a los disolventes comunes más contaminantes. Además de tratarse de procesos más sostenibles, los materiales que se obtienen presentan mejores propiedades que los obtenidos por métodos convencionales. El grupo tiene amplia experiencia en el área de fluidos supercríticos, tanto desde un punto de vista fundamental como aplicado y presenta varias ofertas tecnológicas.
Y además: (máximo 100 palabras)
(Otras capacidades del grupo de investigación, equipamiento destacable)

El grupo pertenece a la RSEQ, la asociación española de fluidos comprimidos (FLUCOMP), la “International Society for the Advancement of Supercritical Fluids” (ISSASF) y la Red de Química Sostenible.
Se ofrece iniciar colaboraciones con empresas y/u otros grupos de investigación con el objetivo de utilizar esta técnica en aquellos casos en los que las técnicas convencionales no produzcan resultados satisfactorios, con el fin de obtener productos de alto valor añadido. El grupo dispone de reactores y equipos de alta presión para llevar a cabo experimentos de metalización a escala de laboratorio, así como de equipos de caracterización de los materiales producidos.

Knowledge Transfer Offer

TITLE:
Deposition of supported metal and metal oxide nanoparticles using supercritical CO2.
Description: (500 words approximately)
(Brief description of the transferable knowledge, indicating innovative aspects, potential scopes and any detail that could be considered of interest to the target entities)

A clean technology to deposit metal and metal oxide nanoparticles within porous and planar substrates with complex structures using supercritical CO2 is proposed.

Deposition of metal and metal oxides on porous supports has a great interest due to the large number of applications of these composite materials. They are used in heterogeneous catalysis, fuel cells, medicine (contrast agents or controlled drug release), as sensors, to strengthen fibers, materials for H2 storage, in microelectronics…
The porous support stabilizes the nanoparticles, inhibits their growth and aggregation and, at the same time, it preserves the properties of the nanoparticles. On the other hand, nanoparticles deposited on the support create active sites in the material and can improve the properties of the supports and nanoparticles themselves.

How does it work? /What is it about?: (500 word approximately)
(Detailed description of the scientific-technical principles, processes, procedures, capabilities, resources or knowledge on which the offer is based)

At temperatures above 31 ºC and pressures greater than 7.4 MPa, CO2 becomes a supercritical fluid. Supercritical CO2 has densities intermediate between those of liquids and gases, but transport properties (diffusivity and viscosity) similar to gases. All these properties and the low surface tension of CO2 with solid surfaces allow to introduce metal precursors dissolved in CO2 inside porous materials in a very efficient way. Furthermore, the properties of CO2 can be tuned through small changes of pressure and temperature, changing the final properties of the material.
A scheme of the procedure is given in Figure 1. The metal precursor dissolved in the supercritical CO2 impregnates the support, and it is then chemically or thermally decomposed. The decomposition can be carried out after the depressurization or at supercritical conditions. If the decomposition is carried out after depressurization, metal nanoparticles are homogeneously dispersed within the support; if the reduction is carried out at supercritical conditions larger particles, nanowires or continuous films are obtained.
Using this method, we have already deposited Pd, Pt, Ru and Ni nanoparticles and several metal oxides on ordered mesoporous silica, mesoporous carbons and reduced graphene oxide. Experiments were performed using stirred high-pressure reactors (figure 2). The high catalytic activity and selectivity of the Pd, Pt and Ru supported materials was shown in model hydrogenation reactions.

Figura 1. Scheme of the metal deposition method using supercritical CO2.

Figura 2. Stirred high-pressure reactor.

Structural material characterization of the materials was carried out by X-ray diffraction (low and wide angle), thermal analysis (TGA, DTA), N2-adsorption, FTIR and UV-vis spectroscopy, electron microscopy (SEM and TEM), composition analysis by EDX and ICP-OES…

Advantages:(300 words maximum)
(Advantages and benefits for an entity that would integrate the knowledge)

Using supercritical CO2 as solvent and reaction medium in the synthesis of the composite materials, metal precursors can be introduced within the micro and mesopores of different substrates in a more efficient way than with conventional methods (in liquid or gas phase). The materials produced are very homogeneous at microscopic level and nanoparticles present a regular shape and size with a narrow particle size distribution and, at the same time, they are homogeneously dispersed throughout the materials (figure 3). The impregnation process in CO2 maintains intact the structure of the support.

Figure 3. Pd nanoparticles and nanowires deposited within mesoporous SiO2 SBA-15 using supercritical CO2.
CO2 is considered a Green solvent because it has moderate critical parameters, it is cheap, non-toxic, inert, nonflammable and it can be recycled. Furthermore, CO2 is a gas at atmospheric pressure that can be easily released from the material by depressurization and it does not leave any residue.
Where has it been developed?: (200 words approximately)
(Brief description of the research group)

This technology has been developed at the Laboratory of Phase Equilibrium and Supercritical Fluids at the Faculty of Chemistry at UCM by the research group “Preparation and activity of multifunctional materials and physicochemical processes in Green Chemistry” which works in the preparation of materials using supercritical fluids as alternative to the common more contaminant organic solvents. Besides being sustainable processes, the materials obtained exhibit better properties tan those obtained by other more conventional methods. The group has wide experience in the field of supercritical fluids both in fundamental and applied research and presents several technology offers.
And also: (máximo 100 palabras)
(Otras capacidades del grupo de investigación, equipamiento destacable)

The group belongs to the Spanish Royal Society of Chemistry (RSEQ), the Spanish Association of Compressed Fluids (FLUCOMP), the International Society for the Advancement of Supercritical Fluids (ISSASF) and the Green Chemistry Network.
We are interested in establishing collaborations with Industry as well as with other research groups wishing to use this technique in those situations in which the conventional techniques do not yield satisfactory results, aiming to obtain high added value products. The group has reactors and the high pressure equipment required to carry out the experiments at laboratory scale, as well as equipment to carry out the characterization of the materials produced.