Síntesis y caracterización de dióxido de titanio reducido y su aplicación en fotocatálisis

Abstract

RESUMEN: El presente trabajo se enfocó a la síntesis de dióxido de titanio (TiO2) y su posterior conversión hacia TiO2 reducido (TiO2-x, black titanium dioxide, del inglés), con el fin de comparar su actividad fotocatalítica en la degradación de contaminantes bajo irradiación ultravioleta y visible. El TiO2 se sintetizó mediante el método sol-gel y se calcino entre 25-400°C, estudiándose el efecto de la adición de ácido nítrico, durante la etapa de hidrólisis. El TiO2-x se obtuvo a partir del TiO2 sol-gel con óptimas propiedades texturales por medio de reducción a temperatura programada con hidrógeno. La caracterización de las muestras se realizó utilizando las técnicas de difracción de rayos-X (XRD) fisisorción de nitrógeno (NP), y las espectroscopías UV-vis reflectancia difusa (DRS), Raman (RS) y fotoelectrónica de rayos-X (XPS). La reacción modelo fue la degradación fotocatalítica de fenol empleando una celda de vidrio, agitación magnética y como fuente de irradiación LEDs-UV (=365 nm) y LEDs-vis (=470 nm). De los resultados obtenidos se encontró la mayor superficie específica (160 m2/g) del TiO2 sin la adición de ácido (T calcinación= 400°C) con una composición de fases de 95% anatasa y el 5% de brookita. Durante la conversión de TiO2 hacia TiO2-x en el intervalo de 250-800°C, se observó la transición de la fase anatasa hacia rutilo a 550°C, junto con una reducción de la brecha energética desde 3.2 hasta 2.9 eV. Los resultados demostraron la presencia de Ti3+ y de vacancias de oxígeno en los materiales reducidos a diferentes temperaturas. La mayor actividad fotocatalítica se obtuvo con el TiO2 sintetizado sin la adición de ácido y calcinado a 400°C, mostrando una conversión del fenol del 90 y del 75% irradiado con luz UV y visible, respectivamente. Para el TiO2-x reducido a 350°C se alcanzó una conversión del 99% (UV) y del 59% (visible), bajo las mismas condiciones de pH=6 y concentración inicial de fenol de 20 ppm. Se detectó un 90% de mineralización del fenol con el TiO2 en comparación con un 75% para el TiO2-x, bajo luz UV, mientras que en presencia de luz visible la mineralización varió entre el 20-30%. ABSTRACT: This work was focused on the synthesis of titanium dioxide (TiO2) and its subsequent conversion to reduced TiO2 (TiO2-X, black titanium dioxide), in order to compare its photocatalytic activity in the degradation of pollutants under UV and visible irradiation. Titanium dioxide was synthesized by the sol-gel method at room temperature, studying the effect of the addition of nitric acid, during the hydrolysis stage. The TiO2-X was obtained from TiO2 sol-gel with optimal textural properties by means temperature-programmed reduction with hydrogen. The characterization of the samples was carried out using X-ray diffraction (XRD), nitrogen physisorption (NP) technique, and UV-vis diffuse reflectance (DRS), Raman (RS) and X-ray photoelectron (XPS) spectroscopy. The model reaction was the photocatalytic degradation of phenol using a glass cell, magnetic stirring with air supply and as a source of irradiation LEDs-UV (=365 nm) and LEDs-vis ((=470 nm). From the obtained results, the greater specific surface area (160 m2 / g) of TiO2 was found adding acid (T calcination = 400°C) with a phase composition of 95% anatase and 5% brookite. During the conversion of TiO2 to TiO2-X in the range of 250-800 ° C, the transition from the anatase phase towards rutile at 550 ° C was observed, together with a reduction in the band gap from 3.2 to 2.9 eV. XPS results showed the presence of Ti3+ and oxygen vacancies in the materials reduced at different temperatures. The highest photocatalytic activity was obtained with the TiO2 synthesized without the addition of acid and calcined at 400°C, showing a phenol conversion of 90% and 75% irradiated with UV and visible light, respectively. For the TiO2-X reduced to 350°C conversions of 99% (UV) and 59% (visible) were reached, under the same conditions of pH = 6 and initial concentration of phenol of 20 ppm. 90% phenol mineralization was detected with TiO2 compared to 75% for TiO2-X, under UV light, while in the presence of visible light the mineralization varied between 20-30%.