Investigación / Materiales Catalíticos y Poliméricos

Investigadores Principales: Raúl Quijada y Alejandro Toro- Labbé.

Esta área de investigación se encuentra enfocada al desarrollo de materiales con propiedades catalíticas y su aplicación en procesos de producción de polímeros, descontaminación ambiental y generación de energías renovables. Adicionalmente se estudia la preparación de nuevos materiales compuestos (nanocompositos) mediante la combinación de matrices poliméricas y partículas inorgánicas de distinta naturaleza.

Síntesis y aplicación de materiales inorgánicos nanoestructurados

Materiales con nanoestructuras porosas poseen propiedades especiales para su uso como catalizadores heterogéneos y en procesos de separación. Utilizando técnicas de sol-gel, de auto-ensamble y síntesis hidrotermal se preparan materiales tales como óxidos de zirconia, sílices mesoporosas ordenadas, zeolitas, materiales laminares, entre otros.

Estudio y desarrollo de catalizadores para polimerización

Mediante el uso de catalizadores de tipo “metalocenos” es posible la síntesis de polímeros (poliolefinas) con alto control de su microestructura y por lo tanto con propiedades para diferentes aplicaciones. Se estudia la síntesis de polímeros olefínicos mediante catalizadores metallocénico en fase homogénea, y se desarrollan sistemas heterogéneos sobre diferentes materiales inorgánicos. Un especial aspecto es el desarrollo de sistemas activos en ausencia o a bajos niveles del costoso cocatalizador metilaluminoxano (MAO). Adicionalmente se realizan estudios en el diseño y síntesis de catalizadores basados en complejos de coordinación con metales de transición.

Preparación de nuevos materiales poliméricos y nanocompósitos

La incorporación de partículas inorgánicas con dimensiones nanométricas en una matriz polimérica permite generar materiales poliméricos compuestos (nanocompositos) con propiedades mejoradas o diferentes a las del polímero de partida. Arcillas laminares son órgano-modificadas y mezcladas con el polímero en estado fundido o mediante polimerización in situ. Con el propósito de mejorar la afinidad química entre el material inorgánico y el polímero, se han desarrollado compatibilizantes basados en el injerto de ácido itacónico en la cadena polimérica. Este procedimiento permite la preparación de nanocompositos de polipropileno (PP) con partículas de arcillas más exfoliadas y con mejoradas propiedades mecánicas.

Desarrollo y evaluación de membranas de separación poliméricas, inorgánicas y compósitas

La tecnología de separación por membranas ha tenido un alto crecimiento en los últimos años, debido a que puede llegar a ser un proceso muy selectivo para separaciones específicas a escala molecular, además de operar con gastos energéticos relativamente bajos y de ser un proceso amigable con el medioambiente. Actualmente se trabaja en el desarrollo de membranas para la separación de mezclas gaseosas de interés industrial tales como O2/N2, CH4/CO2, CO2/N2 y en particular para la purificación de hidrógeno producido del reformado catalítico de metanol. Se utilizan membranas de polyolefinas (PP) producidas por el proceso de separación de fases mediante inducción térmica (TIPS), membranas inorgánicas a base de tamices moleculares de zeolita sintetizadas mediante técnicas de sembrado a partir de nanocristales precursores, y membranas compositas preparadas a través de la incorporación de nanopartículas inorgánicas en matrices poliméricas. Se realizan además estudios acerca de las propiedades de barrera de gases para películas de poliamidas y PE usadas industrialmente para el empaque y conservación de alimentos. El mejoramiento de estas propiedades se investiga mediante la incorporación de nanopartículas de arcilla, esferas de sílice, entre otras.

Producción y Purificación de Combustibles

Se estudia la síntesis y actividad catalítica de materiales alúmino-silicatos mesoporosos durante el craqueo de petróleo. Estos materiales pueden actuar como una matriz mesoporosa donde es soportado el material activo (zeolita), o como el material activo propiamente tal, en el caso de materiales basados en alúmino-silicatos ácidos y óxidos mezclados que presentan actividad catalítica.

Por otra parte, se realiza investigación en producción de hidrógeno a partir del reformado con vapor de agua de alcoholes. Para esto se estudian catalizadores basados en metales de transición preparados por métodos tradicionales y nuevos métodos desarrollados en nuestro laboratorio.

En el área de purificación de combustibles, se realizan estudios de adsorción de compuestos con S, para reducir el contenido de S a niveles inferiores a los que se eliminan por los procesos clásicos como HDS. Los materiales utilizados como adsorbentes están basados en Cu, seleccionando el soporte y las condiciones de pretratamiento de forma de maximizar la presencia de Cu+1, sobre el cual se adsorbe selectivamente las moléculas con azufre.

Aplicaciones en descontaminación atmosférica

Se estudian las características catalíticas de compuestos de Cu soportado en diversos materiales durante la reducción de NOx con CO o hidrocarburos en exceso de oxígeno, además de la oxidación de CO e hidrocarburos a temperaturas bajas y medias. Estos materiales son luego soportados en monolitos de cordierita, para su uso en pruebas experimentales y un posterior escalamiento a prototipo comercial.

Estudios teóricos

Las áreas experimentales presentadas en los puntos anteriores son complementadas con estudios teóricos de los mecanismos de reacción. Este trabajo se realiza en colaboración con el Dr. Alejandro Toro (PUC), cuya experiencia en el área de Mecánica y Química Cuántica permiten desarrollar estudios mecanísticos a partir de primeros principios, con lo que es posible explicar los resultados experimentales con un entendimiento de los procesos que ocurren a nivel microscópico.

Proyectos de Ejecución

• Obtención de nuevos materiales poliméricos con propiedades avanzadas.

• Desarrollo de materiales compuestos a base de PP y arcillas naturales a través de mezclado en estado fundido. Efecto de agentes organo-modificantes y compatibilizantes.
• Preparación de nanocompositos de PE y PP mediante polimerización in situ.
• Preparación de membranas poliméricas y compósitas para la separación de gases.
• Estudio de las propiedades de barrera de gases de películas de poliamida.
• Síntesis de de catalizadores de polimerización basados en complejos de coordinación con metales de transición.
• Diseño y evaluación del comportamiento de materiales del tipo óxidos metálicos para obtención de catalizadores en la síntesis de productos químicos y petroquímicos.
• Preparación y evolución de la actividad catalítica de materiales del tipo óxido metálico soportado, en reacciones de abatimiento de contaminantes gaseosos.
• Producción de hidrógeno a partir del reformado de alcoholes primarios.

Publicaciones recientes

• G. Águila, S. Guerrero, P. Araya, Catalysis Communications, 9 (2008) 2550.
• C. Covarrubias, R. Quijada, R. Rojas, Applied Catalysis A: General, 347 (2008) 223.
• F. Gracia, G. Águila, J. Cortés, P. Araya, Applied Catalysis B: Environmental, 77 (2008) 325.
• W. Yave, R. Quijada, Desalination, 228 (2008) 150.
• E. Moncada, R. Quijada, J. Retuert., Nanotechnology, 18 (2007) 335606.
• P. Toro, R. Quijada, J.L. Arias, M. Yazdani-Pedram, Macromolecular Materials and Engineering, 291(2007)1027.

Laboratorio de Química Teórica Computacional

En enero de 1998, el investigador y académico Alejandro Toro- Labbé estableció el Laboratorio de Química Teórica Computacional (QTC: http://qtc.puc.cl, en la Facultad de Química de la Pontificia Universidad Católica de Chile (PUC).

La misión del QTC es realizar investigación científica y entrenar a estudiantes graduados en química computacional, a los más altos niveles de excelencia. El laboratorio QTC procura desarrollar métodos teóricos y computacionales a través de modelos matemáticos para describir y entender el mecanismo de reacciones químicas y aplicar métodos teóricos a problemas significativos de gran interés para todas las áreas de la química.

Investigación

Básicamente el laboratorio QTC procura desarrollar métodos teóricos y computacionales a través de modelos matemáticos para describir y entender los mecanismos de reacciones químicas y aplicar métodos teóricos a problemas significativos, del gran interés para la química, la física y la biología.

En QTC se desarrollan dos líneas principales de investigación:

1. Desarrollo computacional y conceptual para analizar el curso de las reacciones químicas.
2. Aplicación de herramientas desarrolladas en la línea de investigación 1 (1) para la caracterización de reacciones químicas específicas, importantes en procesos biológicos y en la ciencia de materiales.

En los últimos años, nuestro laboratorio ha sido activo en la formulación de nuevos conceptos y tecnologías computacionales destinadas a caracterizar simultáneamente los aspectos termodinámicos, cinéticos y mecánicos de cualquier proceso químico. En este contexto, conceptos como la fuerza de reacción y la reacción el flujo electrónico han sido definidos para racionalizar la relación entre el mecanismo de reacción y la energía ganada o liberada por el sistema, en cualquiera de las etapas en el curso de la reacción. Un resultado clave que salió del concepto de fuerza de reacción es la natural y racional división de la energía de activación en dos contribuciones correctamente identificadas con interacciones específicas o procesos que conducen el curso de la reacción. Al mismo tiempo, reflexiones mucho más profundas dentro de interacciones específicas que conducen una reacción química son obtenidas usando el nuevo descriptor de reactividad química que hemos propuesto recientemente: el descriptor dual de reactividad y selectividad, que produce una caracterización simultánea de los fragmentos nucleofilicos y electrofilicos dentro de un sistema molecular, permitiendo así la identificación de los fragmentos que actúan recíprocamente y que pertenecen a diferentes moléculas en interacción.

Equipo

Director:
El Laboratorio de Química Teórica Computacional es dirigido por el académico Alejandro Toro- Labbé.

Investigadoras asociadas:

Dra. Soledad Gutiérrez-Oliva y Dra. Bárbara Herrera. Ambas trabajan en la Pontificia Universidad Católica de Chile, siendo muy activas como profesoras de estudiantes de primer año y consejeras científicas de estudiantes de pregrado y graduados que trabajan en QTC.

La Dra. Gutiérrez-Oliva recibió su doctorado en el 2004. Fue premiada por la Academia Chilena de Ciencias por realizar la mejor tesis en química, dentro del período 2003-2007. Además, fue el primer lugar de química en el concurso Fondecyt, que entrega becas a jóvenes investigadores.

La Dra. Bárbara Herrera, obtuvo su doctorado en el 2005. Su tesis fue premiada por la Academia Chilena de Ciencia. Recientemente, ella recibió una beca de la Academia de Ciencia del Tercer Mundo, por ser una prominente joven científica.