Desarrollo de materiales multifuncionales con actividad adsorbente, fotocatalítica y electrocatalítica para el tratamiento de contaminantes emergentes y aplicaciones sustentables

Abstract

Este trabajo aborda el desarrollo de materiales multifuncionales con propiedades adsorbentes, fotocatalíticas y electrocatalíticas para la remediación ambiental y aplicaciones energéticas sustentables, priorizando el uso de materiales de bajo costo y derivados de biomasa. Se sintetizaron xerogeles de resorcinol–formaldehído con una alta capacidad de adsorción de metformina (hasta 325 mg g⁻¹), gobernada por interacciones electrostáticas y enlaces de hidrógeno, con marcada dependencia del pH y la temperatura. Estos materiales mostraron buena selectividad y estabilidad tras varios ciclos de reutilización. Asimismo, residuos agroindustriales fueron valorizados como soportes fotocatalíticos eficientes. Los carbones derivados de bagazo de agave dopados con óxido de cerio alcanzaron más del 99.5% de degradación de azul de metileno bajo irradiación UV, manteniendo su eficiencia en ciclos sucesivos. De manera similar, hidrocarbones obtenidos de residuos de café y dopados con BiOCl, BiOCl/CeO₂ y BiOCl/Fe₂O₃ exhibieron eficiencias fotocatalíticas de hasta 100% en la degradación de colorantes, mediante mecanismos dependientes del dopante que involucran especies reactivas de oxígeno y reacciones foto-Fenton. Finalmente, la funcionalización solvotérmica alcalina de nanotubos de carbono de paredes múltiples, seguida del dopaje con Pt–Pd, mejoró notablemente su desempeño electrocatalítico para la reacción de evolución de hidrógeno, logrando bajos sobrepotenciales, cinéticas favorables y alta estabilidad. En conjunto, los resultados demuestran que el diseño racional de materiales y la valorización de biomasa permiten desarrollar soluciones eficientes, reutilizables y sustentables para el tratamiento de contaminantes emergentes y la generación de energía limpia.

This work presents the development of multifunctional materials with adsorptive, photocatalytic, and electrocatalytic activity for environmental remediation and sustainable energy applications, emphasizing the valorization of low-cost and biomass-derived resources. Resorcinol–formaldehyde xerogels were synthesized and evaluated as adsorbents for metformin, a persistent pharmaceutical contaminant. The xerogels exhibited a high adsorption capacity of up to 325 mg g⁻¹, governed primarily by electrostatic interactions and hydrogen bonding, with strong dependence on pH and temperature. Competitive adsorption and reuse studies demonstrated good selectivity and stability over multiple cycles. In parallel, agroindustrial wastes were transformed into efficient photocatalytic supports. Cerium oxide–doped carbons derived from agave bagasse achieved over 99.5% degradation of methylene blue under UV irradiation, maintaining high performance during reuse cycles. Similarly, hydrochars synthesized from coffee grounds and doped with BiOCl, BiOCl/CeO₂, and BiOCl/Fe₂O₃ showed excellent photocatalytic activity toward indigo blue degradation, with efficiencies up to 100%, driven by dopant-dependent mechanisms involving reactive oxygen species, photo-Fenton reactions, and enhanced charge separation. Finally, alkaline solvothermal functionalization of multi-walled carbon nanotubes, followed by Pt–Pd decoration, significantly improved their electrocatalytic performance for the hydrogen evolution reaction, achieving a low overpotential (−0.20 V at 10 mA cm⁻²), favorable kinetics, and long-term stability. Overall, this study demonstrates that rational material design combined with biomass revalorization enables high-performance, reusable multifunctional materials for contaminant removal and clean energy generation.