Evaluación fotocatalítica de ZrO2-TiO2 y CuO/zrO2-TiO2 en la degradación fotocatalítica, reducción del 4-nitrofenol y producción de hidrógeno y su relación con los procesos de transferencia de carga - Guerrero Araque, Diana Clemencia (Universidad Autónoma Metropolitana, 2017)
En el presente trabajo de investigación se sintetizaron dióxido de titanio (TiO2), dióxido de zirconio (ZrO2) y óxidos mixtos ZrO2-TiO2 (1, 5 y 10% en mol de ZrO2) mediante el método solgel. Los materiales sintetizados se evaluaron en reacciones de oxidación (degradación fotocatalítica) del ácido fenoxiacético, ácido 2,4-diclorofenoxiacético y 4-clorofenol. Los óxidos mixtos presentaron una actividad fotocatalítica superior con respecto a los óxidos simples; y a su vez, el óxido mixto con el 5% en mol de ZrO2 (ZT-5) presentó la mejor actividad fotocatalítica sin importar la molécula a degradar. La mayor fotoactividad del ZT-5 se asoció a la formación de heterouniones y a la generación de estados energéticos en la interfase de los óxidos. Estos estados energéticos actúan como trampa de electrones que favorecen la disminución en la recombinación de los portadores de carga. Adicionalmente, el óxido mixto con 5% en mol de ZrO2 fue evaluado en la reducción fotocatalítica del 4-nitrofenol, estableciéndose el impacto de dos agentes de sacrificio (metanol y sulfito de sodio). Para ello, se realizó una comparación entre la reacción de reducción realizada con el 4-nitrofenol disuelto en agua-sulfito de sodio y otra solución que contenía el 4-nitrofenol disuelto en una mezcla de metanol-agua-sulfito de sodio. Los resultados evidenciaron un incremento en la velocidad de reducción realizada en la mezcla de metanol-agua-sulfito de sodio atribuido a un efecto sinérgico entre los dos agentes de sacrificio, ya que mientras el metanol actúa como colector de huecos y disminuye la resistencia a la transferencia de carga, los iones SO3 2- actúan como colectores de radicales y facilitadores en la transferencia de electrones. Por último, de acuerdo a que el óxido mixto ZT-5 presentó la mejor actividad fotocatalítica en la producción de hidrógeno, éste material fue sometido a impregnación húmeda incipiente para obtener contenidos en peso de CuO de 0.5, 1, 3 y 5%. Estos materiales (calcinados a 500) permitieron establecer que el CuO actúa como un co-catalizador eficiente en la reducción del agua. Además, el material con el 1% en peso de CuO presentó la mejor actividad fotocatalítica relacionado con una menor resistencia a la transferencia de carga.; In this work, titanium dioxide (TiO2), zirconium dioxide (ZrO2) and ZrO2-TiO2 mixed oxides with different ZrO2:TiO2 molar ratios (01:99, 05:95 and 10:90) were synthesized by the sol-gel method. The photocatalytic activity was evaluated by measuring photodegradation of phenoxyacetic acid, 2,4-dichlorophenoxyacetic acid or 4-chlorophenol solutions. The photocatalyst with 5 mol% of ZrO2 (ZT-5) shows the best performance attributed to surface states at the interface of ZrO2-TiO2 heterojunctions. The behavior can be associated with the formation of energy states that retard the recombination of electron hole pairs. These states can act as traps of photogenerated electrons and transfer them to the oxygen in the solution, increasing the performance of the material. Additionally, the ZT-5 photocatalyst was evaluated in the photocatalytic reduction of 4- nitrophenol, establishing the impact of two sacrificial agents (methanol and sodium sulfite). The reactions were performed in four electrolytes: water, methanol/water, water/sulfite ions and methanol/water/sulfite ions. Only in presence of sulfite ions the reduction of 4-nitrophenol occurs. The impact of methanol (hole scavenger) has been considered as an effective strategy to improve the reaction rate compared with the reaction performed without methanol. When Na2SO3 and methanol are present in the irradiated solution, photoluminescence and photoelectrochemical measurements allowed to establishing a synergistic effect between methanol and Na2SO3. Methanol acts as hole scavenger and decreases charge transfer resistance while sulfite ions act as radical scavenger and favor the electron transfer toward 4-nitrophenolate improving the reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol. Finally, the ZT-5 photocatalyst showed the best photocatalytic activity in hydrogen production. Subsequently, copper nitrate impregnations are prepared by an incipient wetness impregnation method to get 0.5, 1, 3 and 5 wt% CuO loadings. A maximum in the photocatalytic activity is observed for the material containing 1 wt% CuO, followed by a drastic drop in the hydrogen generation rate related to the charge-transfer resistance.