Desarrollo de materiales avanzados mediante estrategias de transformación y funcionalización para la fotodegradación visible de colorantes

Abstract

Esta tesis doctoral aborda el desarrollo de materiales avanzados mediante estrategias de transformación y funcionalización para la fotodegradación de colorantes bajo irradiación visible. La investigación se inició con la caracterización termoquímica de biomasa lignocelulósica proveniente de residuos agroindustriales, con el fin de evaluar su potencial como precursor de materiales carbonosos funcionales. Posteriormente, mediante carbonización hidrotermal, se sintetizaron hidrocarbones con propiedades fisicoquímicas favorables para aplicaciones fotocatalíticas. Los resultados demostraron que estos materiales presentan grupos funcionales oxigenados, dominios aromáticos conjugados y radicales libres persistentes, características que favorecen la generación de especies reactivas de oxígeno (•OH, O₂•⁻ y ¹O₂), lo que evidencia que los hidrocarbones pueden actuar como fotocatalizadores intrínsecamente activos y no únicamente como soportes carbonosos. Con el fin de mejorar su desempeño fotocatalítico, los hidrocarbones fueron funcionalizados mediante la incorporación de TiO₂ y CeO₂, obteniéndose materiales compuestos con efectos sinérgicos que favorecieron la separación de cargas, ampliaron la respuesta espectral hacia la región visible y aumentaron la eficiencia de degradación de colorantes. Finalmente, se desarrolló una estrategia de funcionalización basada en la inmovilización covalente de carbon quantum dots (CQDs) sobre sepiolita, lo que permitió obtener un fotocatalizador híbrido estable que supera las limitaciones asociadas a la recuperación y reutilización de estos nanomateriales. En conjunto, los resultados permitieron establecer relaciones entre la composición del precursor, las estrategias de transformación y de funcionalización, la estructura de los materiales y su desempeño fotocatalítico. Esta investigación aporta nuevo conocimiento sobre el papel activo de los hidrocarbones en la fotocatálisis heterogénea y propone una estrategia novedosa para la inmovilización de carbon quantum dots, lo que contribuye al diseño estratégico de materiales carbonosos sostenibles para procesos avanzados de oxidación

This doctoral dissertation addresses the development of advanced materials through transformation and functionalization strategies for the visible-light-driven photodegradation of dyes. The research began with the thermochemical characterization of lignocellulosic biomass derived from agro industrial residues to evaluate its potential as a precursor for functional carbon-based materials. Subsequently, hydrothermal carbonization was employed to synthesize hydrochars with physicochemical properties suitable for photocatalytic applications. The results demonstrated that these materials possess oxygen-containing functional groups, conjugated aromatic domains, and persistent free radicals, features that promote the generation of reactive oxygen species (•OH, O₂•⁻, and ¹O₂), thereby demonstrating that hydrochars can function as intrinsically active photocatalysts rather than merely as carbon supports. To further enhance their photocatalytic performance, the hydrochars were functionalized by incorporating TiO₂ and CeO₂, yielding composite materials with synergistic effects that promoted charge separation, extended the photoresponse into the visible-light region, and improved dye degradation efficiency. Finally, a functionalization strategy based on the covalent immobilization of carbon quantum dots (CQDs) onto sepiolite was developed, resulting in a stable hybrid photocatalyst that overcomes the limitations associated with the recovery and reuse of these nanomaterials. Collectively, the findings established structure–property–performance relationships by correlating precursor composition, transformation, and functionalization strategies, material structure, and photocatalytic performance. This research provides new insights into the active role of hydrochars in heterogeneous photocatalysis and proposes a novel strategy for the immobilization of carbon quantum dots, thereby contributing to the strategic design of sustainable carbon-based materials for advanced oxidation processes.