Síntesis de fotocatalizadores ternarios TIO2/SNO2/G-C3N4 para degradación de contaminantes emergentes en agua mediante fotocatálisis

Abstract

RESUMEN: La fotocatálisis heterogénea es un proceso de oxidación avanzada que se basa en la absorción directa o indirecta de energía radiante por un sólido semiconductor en una solución, para la producción de radicales hidroxilo y así llevar a cabo una degradación de un contaminante. Este método conduce la descontaminación del agua de los contaminantes emergentes, que, por métodos más convencionales, no podrían ser degradados y tendrían afectaciones graves al ecosistema donde se liberen. En el presente trabajo se realizó la síntesis de nanopartículas de dióxido de estaño (SnO2) mediante 3 métodos: Sol-Gel, hidrotermal, reflujo y se adquirió un Nanopolvo comercial; además, se sintetizó nitruro de carbono grafítico (g-C3N4). Utilizando dióxido de titanio (TiO2) P25 Degussa como base y, mediante la metodología de impregnación húmeda, se sintetizaron heterojuntas binarias TiO2/SnO2 en una primer fase, y heterojuntas ternarias TiO2/SnO2/g-C3N4, en una segunda fase. En una tercera fase, se realizaron variaciones de g-C3N4 a las heterojuntas ternarias. Con los materiales sintetizados en la primera fase, se realizaron pruebas de degradación en luz UV con Naranja de Metilo (NM), que fue utilizado como contaminante de referencia. De los materiales binarios con mejor degradación se sintetizaron las juntas ternarias y así mismo, se probaron en NM. Los materiales con disminución similar respecto al control P25 (98.14%) fueron: P25/npA, P25/SG300, P25/SG300/g-C3N4 (90/10), P25/rEG, P25/npA/g-C3N4 (90/10), P25/rEG/g-C3N4 (90/10) y SnO2-rEG. Éste último causó un aumento en la señal secundaria (270 nm) del NM, viéndose disminuida al estar en heterojunta con el P25, logrando degradar la totalidad de la molécula. Los semiconductores antes mencionados se probaron en una solución de 10 ppm de Ciprofloxacino (CIP) bajo luz UV. El P25 degradó 79.83%, seguido del P25/npA, P25/SG300, P25/SG300/g-C3N4 (90/10) y P25/npA/g-C3N4 (90/10); de estos, a las juntas ternarias SG300 y npA se les hicieron los ajustes de g-C3N4. Con dichos materiales, la solución de CIP se sometió a degradación con luz Visible y Solar. Bajo luz visible los materiales ternarios npA mostraron leves mejorías respecto al P25 en cuestión de los tiempos de degradación del proceso (120 y 180 minutos); los compuestos ternarios SG300 disminuyeron hasta un 67% del CIP a los 180 minutos. Con radiación solar, la fotólisis degradó 51.8%; el P25 disminuyó un 95% de la señal con una irradiancia de 74.5 KJ/m2. En todas las juntas ternarias se destaca un efecto notable de degradación, llegando a más de 85% de degradación con 10 minutos de exposición, con irradiancias de entre 15-23 KJ/m2. Las caracterizaciones FTIR, DRX, y TEM comprobaron el acoplamiento de las heterojuntas al mostrar la presencia de los semiconductores dentro de un mismo espectro, disminuyendo el Band Gap para los materiales ternarios. Aumento en las áreas superficiales de dichos materiales con respecto al P25 fueron observados, lo que propició mejores adsorciones iniciales y la producción de huecos positivos. ABSTRACT: Heterogeneous photocatalysis is an advanced oxidation process that is based on thedirect or indirect absorption of radiant energy by a solid semiconductor in a solution, to produce hydroxyl radicals and thus carry out a degradation of a pollutant. This method leads to the decontamination of water of emerging pollutants, which, by more conventional methods, could not be degraded and would seriously affect the ecosystem where they are released. n the present work the synthesis of tin dioxide (SnO2) nanoparticles was carried out by 3 methods: Sol-Gel, hydrothermal and reflux; a commercial nanopowder was acquired. In addition, graphitic carbon nitride (g-C3N4) was synthesized. Using titanium dioxide (TiO2) P25 Degussa as a base and, by the wetness impregnation methodology, binary TiO2/SnO2 heterojunctions were synthesized in a first phase, and TiO2/SnO2/g-C3N4 ternary heterojuncts, in a second phase. As a third phase, g-C3N4 variations were made to the ternary heterojunctions. With the materials synthesized in the first phase, degradation tests were carried out in UV light with Methyl Orange (MO), which was used as a reference pollutant. Of the binary materials with the best degradation, the ternary joints were synthesized and likewise, they were tested in MO. The materials with a similar decrease compared to the P25 control (98.14%) were: P25/npA, P25/SG300, P25/SG300/g-C3N4 (90/10), P25/rEG, P25/npA/gC3N4(90/10),P25/rEG/g-C3N4(90/10) and SnO2-rEG. This last one caused an increase in the secondary signal (270nm) of the OM, being diminished by being in heterojunction with the P25, managing to degrade the entire molecule. The aforementioned semiconductors were tested in a 10 ppm Ciprofloxacin (CIP) solution under UV light. P25 degraded 79.83%, followed by P25/npA, P25/SG300, P25/SG300/gC3N4 (90/10) and P25/npA/g-C3N4 (90/10); of these, the SG300 and npA ternary joints were adjusted for g-C3N4. With these materials, the CIP solution was subjected to degradation with Visible and Solar light. Under visible light, npA ternary materials showed minimal improvements with respect to P25 in terms of process degradation times (120 and 180 minutes); SG300 ternary compounds decreased to 67% CIP at 180 minutes. With solar radiation, photolysis degraded 51.8%; P25 decreased the signal by 95% with an irradiance of 74.5 KJ/m2. In all the ternary joints, a notable degradation effect stands out, reaching more than 85% degradation with 10 minutes of exposure, with irradiance between 15-23 KJ/m2. The FTIR, XRD, and TEM characterizations verified the coupling of the heterojunction by showing the presence of semiconductors within the same spectrum, decreasing the Band Gap for ternary materials. Increases in the surface areas of said materials with respect to P25 were observed, which led to better initial adsorption and the production of positive voids.