Chemomagnetooptically controlled nanomotors for (bio)contaminant removal in water

Resum

Nanomotores con control quimio-opto-magnético para la eliminación de (bio) contaminantes en agua Resumen El objetivo de la tesis es desarrollar nanomotores autónomos de silicio/metal activados fotoelectroquímicamente, explorar y comprender los mecanismos involucrados en el proceso de propulsión y analizar su posible aplicación en la eliminación de (bio)contaminantes en el agua a través de la generación in situ de especies reactivas de oxígeno. Básicamente se ha centrado en nanomotores de Si/Pt, que pueden autopropulsarse a partir de la descomposición fotoquímica del H2O2 bajo luz blanca y también con capacidades para ser activados por luz NIR. Se ha desarrollado un método fácil para fabricar nanoestructuras de silicio a gran escala como núcleo de los nanomotores utilizando litografía coloidal conjuntamente con corrosión química asistida por metal. Se lograron nanoestructuras de silicio con diferentes dimensiones, morfologías superficiales y porosidades. La actuación fotoquímica de los nanomotores de Si/Pt se evaluó en función del factor de rugosidad del catalizador de Pt. Las nanoestructuras de Si/Pt con bajo factor de rugosidad en el metal exhibieron escaso movimiento, mientras que las nanoestructuras de Si/Pt con alto factor de rugosidad en el metal mostraron un movimiento direccional sustancial pero insensible a la modulación de la luz. La evaluación del desempeño del nanomotor de Si/Pt en la degradación de contaminantes orgánicos en agua proporcionó indicios de dos vías químicas competitivas en la descomposición del H2O2, que finalmente dictaminaron el mecanismo de propulsión dominante. Este resultado se respaldó comparando el rendimiento nanomotor con el de sus contrapartes inmovilizadas, es decir, bombas de Si/Pt con diferentes factores de rugosidad de Pt. Se demostró que existen dos mecanismos de propulsión competitivos en los motores de Pt/Si en presencia de luz dependiendo de la ruta de descomposición del H2O2. Uno es un proceso electro-osmótico que emerge de reacciones redox fotoactivadas mediadas por el Si como ánodo y el Pt como cátodo y que ocurre preferentemente cuando el Pt tiene baja rugosidad. La otra es la difusio-ósmosis que es insensible a la luz y se desencadena por la descomposición redox del H2O2 exclusivamente en la superficie rugosa de Pt. Por lo tanto, se puede mostrar que el mecanismo de actuación de los motores Pt/Si puede cambiarse desde un mecanismo electrocinético controlado por luz a difusio-ósmosis insensible a la luz aumentando la rugosidad de la superficie del metal. Además, el aumento de la rugosidad en Pt redujo en gran medida la generación de especies reactivas de oxígeno en el motor, las cuales ocurren cuando el peróxido de hidrógeno se descompone por reacciones redox foctoactivadas en lugares distintos del motor (en el Si como ánodo y en el Pt como cátodo). Esto hizo que disminuyese la capacidad del motor como agente de degradación de contaminantes. En la parte final del trabajo de tesis, se logró desarrollar un motor con control fotoquímico en base a un microdiodo de silicio/Au con uniones p-n. Este sistema ayudó a establecer los criterios para desarrollar micro/nanomotores eficientes sensibles a luz en base a silicio. La unión n-p ayuda a maximizar las reacciones fotoredox entre el Si y el metal noble mediante el campo eléctrico auto-generado en la unión y que favorece la separación agujero/electrón. Además, se llegó a la conclusión de que el perímetro de la interfaz debería ser lo suficientemente grande y la superficie del metal noble debería presentar bajos factores de rugosidad. Finalmente, se desarrolló un nanomotor basado en Si/ Fe de valencia cero que resultó muy prometedor para la degradación de contaminantes orgánicos bajo luz visible. Este nanosistema proporcionó una importante contribución de especies reactivas de oxígeno mediante el efecto fotocatalítico, aparte de la contribución proporcionada por la reacciones Fenton producidas por el hierro mismo. Esta tesis ha logrado un progreso relevante en la comprensión de micro/nanomotores fotocatalíticos basados en silicio y ha demostrado que estos sistemas tienen un gran potencial para futuras aplicaciones prácticas. Sin embargo, todavía se necesita mucho trabajo para seguir mejorando y optimizando el motor, lo que garantiza la continuación de esta línea de investigación.