CATALISIS 1 (2012) 89-101.
Sólidos co-modificados de TiO2
empleados en la degradación de fenoles en un simulador solar
Co-modified TiO2 solids employed for
phenol degradation in a solar simulator
Keyla
Fuentes1, Paulino Betancourt1,*, Joaquín
Brito2.
1 Universidad Central de Venezuela. Facultad de
Ciencias. Escuela de Química. Centro de Catálisis, Petróleo y Petroquímica. Los
Chaguaramos. Caracas. AP. 40679. Venezuela.
Tel.: +58-212-6051649; Fax: +58-212-6051220.
E-mail: pbetanco@strix.ciens.ucv.ve.
2 Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas,
IVIC. Centro de Química. AP. 20632. Caracas, 1020-A. Venezuela.
RESUMEN
En este trabajo se
estudió la degradación de fenol empleando TiO2 (anatasa) reducida o
dopada con hierro. El catalizador con hierro se preparó impregnando Fe(NO3)3
en
la anatasa y calcinando este sólido a
Palabras
clave: Fotocatálisis, titania modificada, reducción,
hierro, degradación de fenol
ABSTRACT
The phenol degradation using reduced or iron
doped TiO2 (anatase) was studied in the
present work. The iron catalyst was prepared by wet impregnation of Fe(NO3)
Key words: Photocatalysis, modified titania, reduction, iron, phenol degradation
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derechos reservados. Para permiso, envíe un correo electrónico a: revista.catalisis@gmail.com
INTRODUCCIÓN
En las aguas residuales de
tipo doméstico y municipal los principales parámetros tratados son los sólidos
sedimentables y
Entre los
procedimientos más empleados para la modificación del TiO2
encontramos el dopaje con metales. Sin embargo, los efectos asociados a la
incorporación de los mismos son muy diferentes y a pesar que han sido
estudiados extensamente no se han podido relacionar de una manera concluyente
con la variación (o no) de la actividad fotocatalítica
del semiconductor. Es sabido que la presencia de especies dopantes genera
niveles energéticos debidos a las impurezas en la distribución de estados
electrónicos del material, logrando una disminución de la energía del ancho de
banda (band-gap) si esos niveles energéticos consiguen superponerse a los de las
bandas del semiconductor. Sin embargo, los mismos también pueden actuar como
centros de recombinación de cargas impidiendo que se lleven a cabo las
reacciones redox ejecutoras de la degradación de los
contaminantes [5]. Se ha reportado, no
obstante, que los metales de transición (o sus óxidos) pertenecientes a
elementos del grupo VIII de la tabla periódica pueden actuar como captores de
electrones, favoreciendo la separación de cargas y logrando inclusive extender
la zona de absorción del material a la región del visible [6]. También, se ha
comprobado que óxidos metálicos de valencias superiores a +4, son capaces de
introducir sitios ácidos superficiales tipo Brønsted,
alterando el punto de carga cero. Esto puede favorecer la adsorción de algunas
moléculas según el pH de la solución, y en tal sentido se han estudiado V, Mo,
W y Nb [7].
Otra de las técnicas
que permite desplazar la zona de absorción del TiO2 consiste en la
creación de vacancias de oxígeno, ya que se ha reportado que las mismas juegan
un rol fundamental en la adsorción de las moléculas oxidantes, como por ejemplo
el O2, el cual se adsorbe de manera no disociativa
para producir radicales superóxido y en consecuencia
otros radicales capaces de oxidar la materia orgánica adsorbida. Ha sido reportado que el tratamiento térmico genera
defectos puntuales, tales como vacancias de oxígeno superficial que producen
cambios profundos en las propiedades electrónicas superficiales, y a su vez,
microscópicamente, la presencia de estas vacancias crea un estado reducido
general en el cristal de TiO2 [8].
En este sentido, la
contribución de este trabajo radica en combinar ambos métodos de modificación
de sólidos semiconductores, aplicados al TiO2, con la intención de
mejorar la respuesta catalítica en el visible de estos importantes materiales.
PARTE EXPERIMENTAL
Síntesis y
caracterización de los fotocatalizadores. El TiO2 empleado está constituido por la fase anatasa
(>99%) presentando un área específica aproximada de 10m2/g). En
el caso del catalizador dopado con hierro,
el TiO2 fue impregnado con una solución acuosa de Fe(NO3)3 con la cantidad de sal
apropiada para alcanzar la formación de una monocapa
del óxido metálico. Posteriormente, el sólido fue calcinado bajo atmósfera de
aire a
Los catalizadores co-modificados fueron preparados por tres vías: En primer
lugar, se realizó una mezcla mecánica con cantidades equivalentes de los
sólidos preparados según lo descrito anteriormente. Para ello, los sólidos se
llevaron a un mortero donde se mezclaron íntimamente con unas gotas de ácido
acético glacial para promover la formación de interacciones entre ambos, el
material resultante fue secado posteriormente a
Para la
caracterización de los fotocatalizadores preparados
se emplearon la técnicas de Absorción en el IR con un
equipo Perkin Elmer Spectrum
100, utilizando pastillas de KBr como soporte.
Difracción de rayos X con un equipo Siemens D5005 equipado con una fuente de
Cu. XPS en un instrumento Specs–Leybold
empleando radiación de un ánodo de aluminio (1486,6 eV) y el software CASAXPS
para la manipulación de la data. Absorción en el UV-Vis de las suspensiones de
los catalizadores en agua usando un espectrofotómetro marca JENWAY modelo 6175.
Pruebas fotocatalíticas. Las medidas de fotoactividad
fueron llevadas a cabo en un reactor de pyrex de
doble camisa tipo batch de
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los difractogramas presentados en
Figura
1. Difractogramas de los distintos
sólidos preparados: de abajo hacia arriba: a) Fe/TiO2, b) N/TiO2,
c) MM/TiO2, d) FeN/TiO2, e) NFe/TiO2. A= anatasa (TiO2); H=hematita (Fe2O3); è= fase sin
identificar.
bios
relevantes: en el caso del sólido FeN/TiO2,
aparecen señales correspondiente al Fe2O3 (hematita) lo que indica la formación de cristales de esta
fase con un tamaño considerable. Por otro lado, el material NFe/TiO2
además de las señales características de la anatasa presenta dos señales a
valores 2 theta de 44,7 y 68,4 correspondientes a una fase no identificada por
DRX. La mejor aproximación se observó
con las señales correspondientes a la fase cúbica de hierro, las cuales han
sido reportadas a valores 2 theta de 44,3; 64,5 y 81,6 (esta última no pudo ser
comparada).
Por su parte, los
espectros obtenidos por XPS para los distintos sólidos co-modificados
en la región de Ti 2p3/2 se presentan en
l
Figura 2. Espetros de XPS en la región del
Ti2p para los distintos sólidos co-modificados en comparación con el
TiO2 sin modifificar. De abjo hacia arriba: a) TiO2, b)
NFe/TiO2, c)FeN/TiO2, d)MM/TiO2.
clase de
defectos generados en el material están relacionados con la formación de
vacancias de oxígeno, lo cual pudo ser confirmado con la determinación de la
relación Ti/O en cada uno de los sistemas preparados, las composiciones
atómicas determinadas se presentan en la tabla 1. Por otro lado, los espectros
obtenidos en la región 2p del Fe, que se muestran en
Tabla 1. Energías de enlace de las señales
Ti2p3/2, Fe 2p3/2 y O1s obtenidas mediante XPS y
relaciones atómicas superficiales para los fotocatalizadores preparados.
SÓLIDO |
Ti 2p3/2 (eV) |
Fe 2p3/2 (eV) |
O 1s (eV) |
Ti/Fe |
Ti/O |
|
O(I) |
O(II) |
|||||
TiO2 |
458,6 |
- |
530,1 |
530,4 |
- |
0,29 |
MM/TiO2 |
458,3 |
710,4 |
529,5 |
- |
20,26 |
0,33 |
NFe/TiO2 |
458,1 |
710,5 |
529,4 |
- |
13,60 |
0,33 |
FeN/TiO2 |
458,1 |
710,8 |
529,4 |
- |
6,25 |
0,29 |
Figura 3. Espetros de XPS en la región del
Fe2p para los distintos sólidos
co-modificados en comparación con el TiO2 sin modificar. De abajo hacia arriba: a) FeN/TiO2,
b)NFe/TiO2 y c)MM/TiO2.
Para el caso del sólido
NFe/TiO2 se empleó la espectroscopía
Mössbauer con la intención de verificar la
información obtenida por DRX. El espectro obtenido fue ajustado mediante
mínimos cuadrados, tomando como parámetros: (DI) desplazamiento isomérico y (QS) acoplamiento cuadrupolar
eléctrico para cada sub-espectro, considerando los desplazamientos isoméricos respecto al hierro metálico. Con esta técnica se
pudo corroborar la presencia de hierro metálico e impurezas del Fe+3,
según lo observado en el espectro de XPS. Estas impurezas pueden corresponderse
a las especies superficiales de hierro, oxidadas por el contacto con el
ambiente. Así mismo, la presencia de dichas especies oxidadas podría explicar
los corrimientos observados en el patrón de DRX para las señales de hierro metálico.
El espectro Mössbauer de la muestra NFe/TiO2 se presenta en
Figura 4. Espectro Mössbauer
de la muestra NFe/TiO2.
En los espectros de
absorción en el IR (Figura 5), se observa que el material de partida exhibe una
banda ancha en 740cm-1 atribuida al estiramiento del enlace Ti-O-Ti
[11]. En la misma figura se puede observar como la incorporación del hierro
produce un corrimiento a menores valores de número de onda (700cm-1)
y además se nota la aparición de una banda cercana a 510cm-1
posiblemente correspondiente al óxido férrico [12]. Por el contrario, la
reducción del material provoca el corrimiento de la señal Ti-O-Ti a valores de
mayor energía (~800cm-1),
lo que se podría atribuir a la posible presencia de especies de titanio con
mayor densidad electrónica (Ti+3) cuya interacción con los átomos de
oxígeno de la red cristalina es distinta a la existente con las especies Ti+4
del material original. Este cambio puede corresponderse con el corrimiento
observado en la señal del Ti+4 en XPS. Los catalizadores co-modificados presentan, por otra parte, los perfiles de
absorción en el IR que se muestran en
Figura 5. Espectros de FT-IR del sólido
reducido (N/TiO2) y del sólido dopado con hierro. (Fe/TiO2)
en comparación con el espectro de absorción del TiO2 de partida (TiO2).
Figura 6.
Espectros de FT-IR de los materiales co-modificados
NFe/TiO2 y FeN/TiO2.
patrón similar al
del Fe/TiO2, debido a que el efecto
producido por la reducción debió ser contrarrestado durante la calcinación
posterior; es posible que la diferencia se deba a que el Fe+3 pudo
interaccionar con especies superficiales distintas a las encontradas en el
material original, provocándo así la formación de
enlaces de distinta naturaleza química. El sólido NFe/TiO2
por su lado, mostró un corrimiento de 16cm-1 en la banda que fue
atribuida al óxido férrico en los materiales anteriores, esto se puede
relacionar con la presencia de especies reducidas de hierro en este
catalizador.
Figura 7. Espectros de absorción en
UV-Vis de las suspensiones en agua de los sólidos N/TiO2 y Fe/TiO2
en comparación con el TiO2 de partida. De abajo hacia arriba: a) TiO2,
b) Fe/TiO2, c) N/TiO2.
Los espectros de
absorción en el UV-Vis de una dispersión en agua de los distintos fotocatalizadores son presentados en las Figuras 7 y 8. Se
puede observar un aumento de la absorbancia en todos los sólidos cercano a los
400 nm, lo cual coincide con la energía del salto de
banda del óxido de titanio (Eg = 3,2eV). En la
comparación con el TiO2 sin modificar presentada en la Figura 7 se
puede resaltar que tanto el sólido reducido como el dopado con hierro muestran
un ligero desplazamiento (~15nm) del
máximo de absorción hacia mayores valores de longitudes de onda, esto indica que
dichos sólidos pueden presentar mayor actividad fotocatalítica
con luz solar que la anatasa de partida. Los sólidos que fueron co-modificados mostraron resultados interesantes en este ensayo,
debido a que tal y como se evidencia en
Figura 8. Espectros de absorción en
UV-Vis de las suspensiones en agua de los sólidos co-modificados
en comparación con el TiO2 de partida. De abajo hacia arriba: MM/TiO2,
b) TiO2, c) NFe/TiO2 d) FeN/TiO2.
fotoactividad presentados más adelante, se puede notar como
coinciden en la tendencia, es decir, a mayor corrimiento hacia el rojo, mayor
es la fotoactividad del sólido.
En las Figuras 9 y 10
se presentan los resultados de las pruebas fotocatalíticas
realizadas con los diferentes sólidos preparados. El porcentaje de degradación
por fotólisis para el fenol en las condiciones del equipo es del 17% (los
resultados presentados incluyen este valor, de tal manera que se reporta el
porcentaje final de mineralización del contaminante). Las pruebas indican que
el sólido con mayor actividad para la fotodegradación
catalítica del fenol es el obtenido por la mezcla mecánica de los sólidos
Fe/TiO2 y N/TiO2. Es resaltante que los otros sólido co-modificados presentaran actividades incluso menores que
los sólidos modificados por separado, comparables más bien a la del TiO2
de partida. Por una parte, cuando se incorpora el hierro y luego se reduce el
material, es de esperarse que existan especies de hierro de menor densidad
electrónica. Mientras que al unirlo con el TiO2 reducido,
posiblemente la baja presencia de sitios de coordinación provoca una pobre
dispersión del dopante en la superficie. Hay que recordar, que estos sólidos
presentaron especies superficiales de tamaño considerable (observables por DRX)
por lo que, estos resultados podrían estar indicando que la mejora en la fotoactividad en el sólido obtenido por mezcla mecánica
viene dada por una transferencia electrónica entre semiconductores (TiO2
ó N/TiO2 y Fe2O3) y
que los cristalitos de Fe2O3 deben presentar un tamaño
óptimo para que no interfieran con la formación del par redox
Figura 9. Porcentajes de degradación de
fenol empleando los distintitos sólidos dopados.
Figura 10. Porcentajes de degradación de
fenol, PCOC y 2NP empleando el sólido MM/TiO2.
en el
soporte. A su vez, la presencia de hierro metálico parece ser desfavorable
debido a que esta especie podría estar actuando como un centro de recombinación
de los electrones fotogenerados. Recientemente, Zhang
y col. reportaron una observación similar al preparar TiO2 co-dopado con hierro y nitrógeno, preparados por un método hidrotérmico con dos variantes [13]. Dichos autores
obtienen que al incorporar ambos elementos simultáneamente en el proceso de
dopaje, la actividad en la descomposición oxidativa de NOx
bajo luz UV disminuye por la aparición de vacancias de aniónicas
que permiten mantener la electroneutralidad del
sólido, las cuales pueden actuar como centros de recombinación de electrones,
lo que disminuye la actividad. Mientras
que, al formar el sólido dopado con nitrógeno y luego incorporar el hierro
formando Fe2O3, la actividad se ve ampliamente mejorada
(por efecto de una transferencia electrónica entre semiconductores), aunque no
descartan el efecto de un porcentaje de rutilo que se formó durante el proceso.
Por último, se empleó
el sólido óptimo (MM/TiO2) en la degradación de 4-cloro-2-metilfenol
(PCOC) y 2-nitrofenol (2NP) para evaluar la reactividad del mismo hacia fenoles
sustituidos. En
CONCLUSIONES
Los patrones de DRX
mostraron que la incorporación del hierro y el tratamiento reductivo del
material no generan cambios en la estructura cristalina del mismo. Sin embargo,
los materiales co-modificados presentaron señales de partículas
de Fe2O3 formando cristales de tamaño considerable en la
superficie en el caso del sólido FeN/TiO2
y señales de Fe0 en el sólido NFe/TiO2,
corroborado por espectroscopia Mössbauer. Los
espectros de XPS indican que el efecto del tratamiento reductivo sobre el TiO2
es la generación de vacancias de oxígeno y la ausencia de señales de nitrógeno
indica que dicho elemento no fue incorporado al sólido. Los espectros de
absorción en el IR indican variaciones en las señales Ti-O-Ti, lo cual confirma
que ambos métodos de modificación generan cambios químicos superficiales. Los
perfiles de absorción en el UV-vis de las dispersiones en agua se corresponden
con la actividad mostrada por los fotocatalizadores: mayor corrimiento hacia el rojo se
corresponde con una mayor actividad. Por su parte, las actividades parecen
indicar que el efecto del hierro en la mejora de la actividad fotocatalítica es la transferencia electrónica entre
semiconductores. En el caso de los fenoles sustituidos se observa poco efecto
de la co-modificación en la actividad, lo que sugiere
la existencia de un tipo de transferencia de carga del sólido a la molécula que
puede estar siendo inhibido por la presencia de los grupos sustituyentes.
AGRADECIMIENTOS
Al Consejo de Desarrollo Científico
y Humanístico de
REFERENCIAS
1. J.M. Hermann, C. Guillard,
P. Pichat. Catal. Today 17
(1993) 7.
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