Preparación y caracterización de tio2 nanoestructurado modificado con cu y mo, con aplicaciones fotocatalíticas y como adsorbente de contaminantes

Resumen

La presencia de colorantes en las aguas residuales despierta una gran preocupación debido a sus efectos adversos para el medioambiente [1]. Las industrias textiles, del cuero, del papel, del plástico, etc., usan tintes para colorear sus productos, consumiendo grandes cantidades de agua y generando una gran cantidad de aguas residuales contaminadas [2]. Entre los diversos pigmentos existentes para teñir materiales, el azul de metileno (AM) es la sustancia más comúnmente utilizada [3]. Esta sustancia puede causar daños a la salud humana y al medioambiente, por tanto, el tratamiento del efluente que contiene dicho contaminante es de gran interés [4]. Para el tratamiento de aguas contaminadas con colorantes existen métodos tales como la coagulación y la floculación [5], la oxidación u ozonización [6], la separación por membranas [7], ultrafiltración, procesos electroquímicos, degradación fotocatalítica y la adsorción [8]. Sin embargo, recientes estudios de investigación han mostrado que la combinación de adsorción y fotocatálisis puede ser un proceso simple, eficiente y económico para eliminar colorantes de las aguas y también para controlar la demanda bioquímica de oxígeno (DQO) [1]. En las últimas décadas, el proceso de adsorción en las superficies sólidas para la eliminación de tintes ha recibido atención mundial como técnica importante para el tratamiento de aguas residuales [9]. Un ejemplo de adsorbente muy utilizado para la eliminación de colorantes es el carbón activo, pero se considera un adsorbente costoso [10]. No obstante, se están desarrollando otros materiales adsorbentes para el tratamiento de aguas, tales como los materiales de carbono, zeolitas y óxidos metálicos, como el TiO2. El TiO2, además es uno de los semiconductores más usados en aplicaciones fotocatalíticas para el tratamiento de aguas contaminadas, debido a sus propiedades ópticas y electrónicas, estabilidad química, su disponibilidad comercial y bajo coste. Sin embargo, es un semiconductor de banda ancha (Eg = 3.2 eV) lo que limita su aplicación fotoelectroquímica bajo luz visible, que responde solo a la luz UV, lo que limita su actividad fotocatalítica. Entre las diversas estrategias de modificación de las propiedades del TiO2 para mejorar su eficiencia fotoelectroquímica, destaca el dopado y co-dopado. Tanto el dopado como el co-dopado son una buena estrategia para, entre otros efectos, desplazar la energía del band gap hacia el rojo y mejorar la fotoactividad de TiO2 bajo luz visible. En la literatura se puede encontrar el empleo de dopantes metálicos como Ag, Zr, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni y Nb; así como el empleo de no metales como N, C, S, B y F. En cualquier tipo de dopado, es deseable mantener la integridad de la estructura cristalina del material sin dopar, pero variando sus propiedades electrónicas. En consecuencia, el desarrollo de nanopartículas de TiO2 modificadas con propiedades fotocatalíticas y adsorbentes, permite que el material sea operativo tanto bajo luz visible (fotodegradación) como en oscuridad (adsorción). En la presente Tesis Doctoral, titulada “Preparación y caracterización de TiO2 nanoestructurado modificado con Cu y Mo, con aplicaciones fotocatalíticas y como adsorbente de contaminantes“ se ha llevado a cabo la síntesis de nanopartículas de TiO2 modificadas mediante dopado, con los metales Cu, Mo, y TiO2 modificado mediante el proceso de co-dopado con Cu/ Mo. Asimismo, se ha realizado un estudio sistemático del dopado y co-dopado de TiO2 en función de las condiciones de síntesis, naturaleza y nivel del dopante con el fin de comprender cuál es el efecto de dichas variables en las propiedades del TiO2, y analizar su influencia en la eficiencia fotocatalítica y adsorción. Así, en el Capítulo 1, se hace una introducción de los distintos tipos de contaminantes del medio acuoso, para centrarnos en los colorantes y en los tratamientos más habituales para eliminar dichos contaminantes. En el Capítulo 2, se indican las hipótesis de partida y objetivos principales de la presente Tesis Doctoral, así como los objetivos específicos que se han definido para el desarrollo del trabajo de investigación. En el Capítulo 3, se ha llevado a cabo un análisis crítico de los antecedentes encontrados en bibliografía sobre síntesis de materiales con interés en aplicaciones fotocatalíticas y adsorción, centrándonos en las propiedades del TiO2 y en sus ventajas e inconvenientes para sus posibles aplicaciones fotoelectroquimicas. Finalmente, se analizan las estrategias existentes para alterar las propiedades de dichos materiales y focalizamos la atención en la modificación de sus propiedades mediante el proceso de dopado y co-dopado con el fin de optimizar su posible aplicación como fotocatalizador y adsorbente. En el siguiente capítulo, Capítulo 4, se describen los reactivos y métodos de síntesis empleados para sintetizar los materiales de TiO2 dopados y co-dopados, y se indican las técnicas instrumentales empleadas para la caracterización estructural, electrónica y morfológica de los mismos. La discusión conjunta de los resultados obtenidos se presenta en el Capítulo 5 de la presente Tesis Doctoral. Concretamente, han sido analizados de forma conjunta los materiales sintetizados a lo largo del presente trabajo de investigación mediante diferentes técnicas de caracterización, con objeto de determinar sus principales propiedades físico-químicas y estructurales. Asimismo, la caracterización ha permitido evaluar la influencia de las condiciones de síntesis, naturaleza y nivel del dopante y la eficiencia de los materiales sintetizados mediante las reacciones de degradación fotocatalítica bajo la luz visible como sus capacidades de adsorción del colorante azul de metileno en solución acuosa, usado como un modelo de contaminante ambiental. Las contribuciones científicas resultantes de los resultados obtenidos en la caracterización de las propiedades físico-químicas y estructurales, así como la evaluación de sus propiedades fotocatalíticas y adsorbentes de los materiales sintetizados se incluyen en los Anexos. Finalmente, en el Capítulo 6 se muestran las conclusiones más relevantes obtenidas a lo largo del trabajo de investigación, comparando las diferencias más significativas halladas entre los materiales mono-dopados con Cu y con Mo y los co-dopados con Cu/Mo. En resumen, en la presente Tesis Doctoral se ha realizado una discusión profunda sobre los resultados obtenidos con cada técnica de caracterización, y se ha realizado una correlación con la evaluación de la capacidad de fotodegradación y la adsorción de azul de metileno (AM) de las muestras sintetizadas, a partir de lo cual ha sido posible alcanzar un mayor entendimiento sobre la influencia de las propiedades de los materiales sintetizados y su eficiencia como adsorbentes y fotocatalizadores. Bibliografía [1] Lin K. S, Lin Y. G, Cheng H. W, and Haung, Y. H. Preparation and characterization of V-Loaded titania nanotubes for adsorption/photocatalysis of basic dye and environmental hormone contaminated wastewaters. Catal Today, vol. 307, pp. 119-130, 2018. DOI:10.1016/j.cattod.2017.05.075. [2] Crini G. Non-conventional low-cost adsorbents for dye removal: A review. Bioresource Technology, vol. 97, pp. 1061-1085, 2006. DOI: 10.1016/j.biortech.2005.05.001. [3] Uddin M. T, Islam M. 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