Resumen:
El plástico representa una amenaza crítica para el medio ambiente, los ecosistemas y la salud humana debido a la baja eficiencia en su aprovechamiento. En este trabajo, demostramos una fotocatálisis en cascada sostenible y altamente eficiente para valorizar plásticos en ácido acético de alto valor añadido utilizando catalizadores de átomos individuales de hierro (Fe@C₃N₄ SAC) en condiciones ambientales.
Inspirado en el microorganismo Phanerochaete chrysosporium, el Fe@C₃N₄ SAC defectuoso actúa como un fotocatalizador bifuncional en cascada, capaz de promover tanto reacciones tipo Fenton como la reducción de CO₂. Durante la reacción, se forman radicales hidroxilo (*OH), que posteriormente oxidan los plásticos a intermediarios de CO₂. Estos intermediarios de CO₂ se fotorreducen luego a CH₃COOH en el mismo catalizador mediante fotocatálisis en cascada.
El mecanismo se confirma mediante microscopía y espectroscopía multimodal in situ, junto con cálculos de teoría del funcional de la densidad. Se obtiene un rendimiento de CH₃COOH de última generación de 63,8 mg h⁻¹ gcat⁻¹ a partir de PVC, 12,7 mg h⁻¹ gcat⁻¹ a partir de PE, 5,4 mg h⁻¹ gcat⁻¹ a partir de PET y 5,3 mg h⁻¹ gcat⁻¹ a partir de PP bajo irradiación solar AM1.5G. Estos resultados se validan además bajo luz solar real (≈0,6 soles), alcanzando 5,6 mg h⁻¹ gcat⁻¹ a partir de PET, utilizando Fe@C₃N₄ SAC de bajo costo en un reactor sellado mediante la mejora del transporte y la eficiencia de utilización de fotones.
El análisis tecnoeconómico muestra que esta estrategia es prometedora para mitigar el problema de los plásticos desde una perspectiva de bienestar social más amplia.
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Conclusiones:
En resumen, se demostró una estrategia prometedora para la valorización de plásticos mediante fotocatálisis, observándose excelentes tasas de producción de ácido acético. Los productos plásticos se convirtieron primero en CO₂ como intermediario y posteriormente se transformaron con éxito en ácido acético sobre el mismo fotocatalizador mediante reacciones en cascada, sin la adición de otros agentes sacrificantes.
En conclusión, este trabajo no solo demuestra un proceso fotocatalítico para la remediación de residuos plásticos en condiciones de luz solar simulada y real, sino que también evidencia el potencial de los catalizadores de átomo único en la valorización de plásticos.
De cara al futuro, la eficiencia y sostenibilidad de estos sistemas de valorización fotocatalítica pueden mejorarse aún más mediante ingeniería estratégica a múltiples niveles. A nivel de diseño del reactor, la aplicación de estrategias de transporte de fotones y captura de luz puede maximizar el aprovechamiento lumínico. Paralelamente, a nivel de integración de procesos, la eficiencia podría incrementarse sustancialmente acoplando el sistema con un suministro más sostenible de oxidante, como la generación electrocatalítica in situ de H₂O₂, que podría alimentar directamente el reactor de valorización para crear un proceso más integrado y potencialmente autosostenible.
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Información tomada y traducida del artículo científico publicado en Advanced Energy Materials.
Imagen tomada de Envato, bajo licencia de Acoplásticos.