Attaching Ionic Liquids to Surfaces: From Repellent Surfaces to Catalysis

Abstract

Películas líquidas confinadas a una superficie sólida es un concepto que ofrece ventajas relevantes a muchas aplicaciones tecnológicas. Dicho concepto requiere un diseño de ingeniería detallado, basado completamente en la naturaleza del líquido y la superficie sólida, que a su vez se seleccionan en función de la aplicación final. El control de las interacciones interfaciales entre el líquido a confinar y el soporte sólido es fundamental para el diseño y el buen funcionamiento de estos complejos sistemas. Los líquidos iónicos son un tipo inusual de compuestos formados enteramente por iones, por lo que tienen intrínsecamente propiedades iónicas, sin embargo, se encuentran en forma líquida a temperatura ambiente o tienen puntos de fusión por debajo de los 100°C. Como resultado, los líquidos iónicos ofrecen las características típicas de un fluido líquido con características no convencionales, como presiones de vapor extremadamente bajas, alta estabilidad térmica y no son inflamables. Un confinamiento de líquidos iónicos en superficies sólidas que mantenga íntegramente las propiedades del líquido iónico requiere controlar las interacciones interfaciales entre un líquido iónico y el sustrato sólido donde será confinado, sin perder de vista la complejidad estructural inherente de los líquidos iónicos. En esta tesis doctoral, exploramos diferentes enfoques para confinar líquidos iónicos en superficies sólidas, dichos enfoques están guiados fundamentalmente por el mismo principio: el manejo de las interacciones interfaciales del líquido iónico y el soporte o superficie sólida, de manera que se obtenga un estado de mínima energía. Tomando como referencia la estructura química de un líquido iónico, fabricamos superficies químicas que se asemejan a la estructura química de los líquidos iónicos para asegurar interacciones interfaciales de baja energía. En primer lugar, confinamos los líquidos iónicos al soporte a través de la modificación de la superficie sólida, implementando la química superficial adecuada y fuerzas capilares. Hicimos uso de la química de silanos para modificar la superficie de los materiales basados en el SiO2, añadiendo una funcionalidad que asemeja a los grupos funcionales de los líquidos iónicos. Además, añadimos topografía en la nano y microescala para aumentar los efectos capilares. En un segundo enfoque, formamos órgano-geles que poseen funcionalidad semejante a la estructura química del líquido iónico. Nos beneficiamos de la química de los ésteres activos para diseñar cadenas poliméricas con una funcionalidad precisa y específica que abarca los diferentes grupos funcionales presentes en un líquido iónico. Adicionalmente, utilizamos unidades de benzofenona para reticular las cadenas poliméricas y formar los órgano-geles. Implementamos de forma independiente las dos vías para el confinamiento de líquidos iónicos en dos aplicaciones de relevancia: las superficies repelentes y la catálisis. En primer lugar, estudiamos el comportamiento de humectación de los líquidos iónicos basados en imidazoles e identificamos una química superficial adecuada para minimizar las interacciones interfaciales con la superficie sólida. Después, añadimos topografía para crear superficies repelentes con lubricante, haciendo uso de líquidos iónicos como lubricantes. En un enfoque diferente, desarrollamos órgano-geles con funcionalidades de líquidos iónicos para crear una superficie repelente robusta y de larga duración. En catálisis, recubrimos monolitos porosos de SiC con Al2O3 para crear una porosidad jerárquica y aumentar los efectos capilares para la retención de líquidos iónicos. En otra aplicación, recubrimos SiO2 con un órgano-gel sintetizado para crear soportes poliméricos diseñados especialmente para su potencial aplicación en la catálisis de líquidos iónicos soportados (SILP) en fase líquida.