Presentacion de resistencia de materiales

Presentación acerca de la reducción fotocatalítica del CO2

1. Ingeniería de polarización y estrategias de diseño de materiales ferroeléctricos en la reducción fotocatalítica de CO  2 Alejandro de Jesús Castellón Correa

2. Introducción Los materiales ferroeléctricos, gracias a su polarización espontánea, ofrecen gran potencial en la reducción fotocatalítica de CO₂. Este enfoque analiza sus mecanismos de polarización, la dinámica de paredes de dominio y cómo influyen en la adsorción, activación y selectividad de productos. Se revisan avances en control de morfología, ingeniería de deformaciones, defectos y interfaces para optimizar su rendimiento. El trabajo aporta bases teóricas y estrategias de diseño para su aplicación en energías renovables. [ Figura 1- propiedades de materiales ferroeléctricos]

3. ¿Qué es la reducción fotocatalítica del CO2 ? La reducción fotocatalítica de CO₂ es una estrategia clave para combatir el cambio climático y fomentar el desarrollo sostenible, ya que permite convertir CO₂ en combustibles químicos como metano o metanol, y en compuestos orgánicos de alto valor usando energía solar. Esto reduce la dependencia de combustibles fósiles y promueve una industria química de bajas emisiones. Sin embargo, su aplicación a gran escala enfrenta retos como la rápida recombinación de portadores, la complejidad de las reacciones y la baja selectividad de productos. [Figura 2- Reducción fotocatalítica del CO2]

4. Retos en el desarrollo de la reducción fotocatalítica del co2 Rápida recombinación de portadores de carga Cuando el fotocatalizador absorbe luz solar se generan electrones y huecos que deberían activar la reacción con el CO₂. Sin embargo, estos portadores se recombinan con mucha rapidez antes de reaccionar, liberando energía como calor o radiación. Complejidad de las reacciones químicas La reducción de CO₂ es un proceso de múltiples pasos que incluye la formación de especies intermedias reactivas. Cada etapa requiere condiciones muy específicas de energía, superficie activa y tipo de catalizador. Esta complejidad dificulta controlar las reacciones y alcanzar resultados estables a gran escala. Baja selectividad de productos El CO₂ puede convertirse en metano, metanol, monóxido de carbono, ácido fórmico, entre otros. Los fotocatalizadores actuales no logran dirigir la reacción hacia un único producto deseado, produciendo mezclas difíciles de separar. Esto encarece el proceso y limita su aplicación industrial.

5. Rol de los materiales ferroeléctricos Los materiales ferroeléctricos, como el BaTiO ₃, cuentan con una estructura cristalina que genera una polarización espontánea y un campo eléctrico interno en su fase ferroeléctrica. Este campo favorece la separación y el transporte eficiente de los pares electrón-hueco, disminuyendo su recombinación. Además, facilita la adsorción y activación del CO₂ sobre la superficie del material. Gracias a estas propiedades, se optimizan las rutas de reacción y se mejora la selectividad de los productos, lo que les confiere un gran potencial en la reducción fotocatalítica de CO₂. [Figura 4- Estructura cristalina del BaTio3]

6. Ventajas de los materiales ferroeléctricos Recientes investigaciones demuestran que la polarización en materiales ferroeléctricos puede optimizar la separación y transporte de cargas, aumentando el rendimiento en la reducción fotocatalítica de CO₂. Ejemplos incluyen: Bi₂MoO ₃ con vacancias de Mo: mejora de la generación de CO (19,75 μmol g⁻¹ h⁻¹). BaTiO ₃ sometido a tensión inducida por láser: producción de CO de 52,9 mmol g⁻¹ h⁻¹. Bi₄Ti₃O ₁₂ en capas: aumento en producción de CH₃OH y CH₃CH₂OH. Heterounión gC₃N ₄/ BaTiO ₃ : incremento de 1,5× en producción de CH₃CH₂OH. Los resultados evidencian que la estructura, polarización y diseño de interfaces son factores clave para maximizar el desempeño de estos materiales.

7. Análisis de resultados La polarización ferroeléctrica tiene un impacto directo en la reducción fotocatalítica de CO₂, ya que al modificar la estructura o inducir polarización en los materiales se logra una mayor eficiencia en la conversión. Esto se debe a que la polarización favorece la separación de los pares electrón-hueco y mejora el transporte de cargas hacia las superficies activas. Los resultados experimentales lo confirman con valores como el BaTiO ₃ bajo tensión inducida por láser (52,9 mmol g⁻¹ h⁻¹) y el Bi₂MoO ₃ con vacancias (19,75 μmol g⁻¹ h⁻¹), lo que representa mejoras claras frente a sistemas sin polarización optimizada. Estrategias como la creación de vacancias, el diseño en capas, la formación de heterouniones o la inducción de tensión convergen en un mismo efecto: un mayor rendimiento y selectividad en los productos obtenidos. Todo esto demuestra que la ingeniería de la estructura y las interfaces es fundamental para el desarrollo de fotocatalizadores más eficientes y selectivos, acercando esta tecnología hacia aplicaciones reales a nivel industrial.

8. Polarización de los materiales ferroeléctricos Los materiales ferroeléctricos son muy prometedores en la reducción catalítica de CO₂ gracias a su polarización espontánea, que permite modular los sitios activos del catalizador. Esto mejora la separación y el transporte de cargas eléctricas, aumentando la eficiencia del proceso. Para optimizar su rendimiento, es importante combinar diferentes métodos de modificación que ajusten el campo de polarización. Además, controlar la morfología del material ayuda a distribuir mejor este campo, lo que favorece una separación de cargas más eficiente y, en consecuencia, una mayor actividad catalítica.

9. Los ferroeléctricos son materiales que poseen un dipolo eléctrico espontáneo , es decir, una separación natural de cargas positivas y negativas incluso sin aplicar un campo eléctrico externo. Esta polarización puede invertirse si se aplica un campo eléctrico, lo que los hace útiles en memorias, sensores y fotocatálisis. Se le llama instantánea porque aparece de forma muy rápida en respuesta a un campo o estímulo externo (por ejemplo, luz), gracias a la alineación inmediata de los dipolos ya presentes en el material. En la fotocatálisis, esta polarización ayuda a separar los pares electrón-hueco, reduciendo su recombinación y aumentando la eficiencia en la reducción del CO₂. [Figura 5- Procesos de polarización espontanea]

10. Pares electrón hueco Un par electrón-hueco se forma cuando un material fotocatalizador, usualmente un semiconductor, absorbe la energía proveniente de la luz solar. La radiación incidente, si posee una energía mayor o igual al band gap del material, excita un electrón de la banda de valencia y lo promueve hacia la banda de conducción, dejando en su lugar un “hueco” con carga positiva en la banda de valencia. Este par electrón-hueco juega un papel fundamental en los procesos de fotocatálisis. El electrón en la banda de conducción tiene un alto poder reductor, mientras que el hueco en la banda de valencia actúa como un agente oxidante. De esta manera, ambos participan en reacciones químicas superficiales: el electrón puede reducir especies químicas, mientras que el hueco puede oxidarlas. [Figura 6- Pares electrón hueco]

11. Banda de valencia y banda de conducción La banda de valencia Es el nivel de energía donde se encuentran los electrones ligados al material. En este estado no tienen libertad de movimiento ni participan en reacciones químicas, a menos que absorban energía suficiente para saltar a la banda de conducción. La banda de conducción Es el nivel de energía superior al que llegan los electrones excitados por la luz. Aquí tienen movilidad y pueden participar en reacciones de reducción, siendo fundamentales en la conversión fotocatalítica del CO₂. [Figura 7- Banda de valencia y de conducción]

12. Incidencia en la reducción fotocatalítica del CO2 Los pares electrón-hueco son esenciales en la reducción fotocatalítica del CO₂ porque actúan como los “motores” de la reacción. Cuando el fotocatalizador absorbe luz, los electrones excitados pasan a la banda de conducción y los huecos quedan en la banda de valencia. Los electrones son los que reducen el CO₂, transformándolo en productos como metano, metanol o monóxido de carbono. Por su parte, los huecos oxidan moléculas donadoras de electrones, como el agua, generando protones que también intervienen en la reacción. Si no existieran estos pares, no habría transferencia de carga ni se podrían impulsar las reacciones químicas necesarias. La eficiencia del proceso depende de mantener separados a los electrones y huecos el tiempo suficiente para reaccionar, evitando su recombinación prematura. [Figura 8- Banda de valencia y de conducción]

13. Diseño de materiales ferroeléctricos Los materiales ferroeléctricos presentan una polarización espontánea que genera un campo eléctrico interno, el cual mejora la separación y el transporte de cargas eléctricas, reduciendo su recombinación. Esta propiedad les permite modular dinámicamente los sitios activos del catalizador, aumentando así su eficiencia en la reducción de CO₂. La optimización del campo de polarización, junto con un control adecuado de la morfología del material, favorece una distribución espacial que potencia la interacción con el CO₂. Como resultado, se logra una mayor actividad y selectividad en los procesos fotocatalíticos de reducción de CO₂.

14. Aplicaciones prácticas en la Ingeniería Además de su papel en la fotocatálisis para la reducción de CO₂, los materiales ferroeléctricos tienen aplicaciones prácticas en diversas ramas de la ingeniería, especialmente en la electrónica, la energía y la construcción de dispositivos inteligentes. Su capacidad de almacenar y modular cargas eléctricas los convierte en componentes clave en memorias no volátiles ( FeRAM ) , sensores de presión, actuadores piezoeléctricos y dispositivos de almacenamiento de energía. En el ámbito energético, se exploran en celdas solares ferroeléctricas y dispositivos de conversión de energía , donde su polarización interna ayuda a mejorar la eficiencia de separación de cargas en condiciones de iluminación. [Figura 8- sensor piezoeléctrico hecho con un material ferroeléctrico ( BaTiO ₃)]

15. Durabilidad En cuanto a su durabilidad , uno de los retos principales es garantizar la estabilidad de la polarización ferroeléctrica a lo largo del tiempo, ya que los ciclos repetidos de polarización y despolarización pueden degradar el material. Por ello, la investigación en ingeniería de materiales busca mejorar la resistencia a la fatiga eléctrica, la estabilidad térmica y la resistencia a ambientes corrosivos , lo que resulta fundamental para aplicaciones de larga duración. Por ejemplo, el control de la morfología nanométrica, la incorporación de dopantes y el diseño de heteroestructuras permiten incrementar la vida útil y la confiabilidad de estos materiales en dispositivos industriales y ambientales. [Figura 9- sensores ultrasónicos industriales hecho con un material ferroeléctrico ( BaTiO ₃) y LiNbO ₃ ( niobato de litio)]

16. Referencias bibliográficas Wang, X., Hong, D., Shan, L., Wu, H., Xu, H., Li, X., Liu, G., He, X., & Dong, L. (2025). Polarization engineering and design strategies of ferroelectric materials in photocatalytic CO₂ reduction. Surfaces and Interfaces , 72 , 107202. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2025.107202