Synthesis of Ceramic Materials applied in Photodegradation 

Sofía Estrada Flores*¹, Antonia Martínez Luévanos², Catalina M. Pérez Berumen³

¹Maestría en Ciencia y Tecnología de Materiales. ²Departamento de Materiales Cerámicos. ³Departamento de Química Orgánica. Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Coahuila. Boulevard Venustiano Carranza. C.P. 25280. Saltillo, Coahuila, México. *Autor de correspondencia: sofiaestrada@uadec.edu.mx

 

 

Resumen

El uso de materiales cerámicos como fotocatalizadores en la degradación de compuestos orgánicos ha sido de gran interés en los últimos años para el tratamiento de aguas residuales. Algunos cerámicos como el TiO2 y el ZnO son frecuentemente utilizados en este tipo de procesos, sin embargo, actualmente se requiere la obtención de materiales que presenten mejores propiedades fotocatalíticas, y que puedan ser fotoactivados por la luz visible con el objetivo de economizar los procesos de tratamiento de aguas. Debido a lo anterior se buscan diversos métodos de síntesis que permitan la modificación de los valores de banda de energía prohibida (Eg) y la obtención de compositos cerámicos con actividad fotocatalítica.
Palabras clave: fotodegradación, materiales cerámicos, métodos de síntesis.

Abstract

The use of ceramic materials as photocatalysts in the degradation of organic compounds has been of great interest in recent years for water treatment. Ceramics like TiO2 and ZnO have been frequently used in this type of processes, however, the obtaining of materials with better photocatalytic properties that can be photoactivated by solar light is required at the present time in order to economize the process of water treatment. Because of this, the scientific community is looking for different synthesis methods that allow the modification of the bandgap (Eg) and the obtaining of ceramic composites with photocatalytic activity.

Keywords: ceramic materials, photodegradation, synthesis methods.

INTRODUCCIÓN
Actualmente la cantidad de agua contaminada con compuestos orgánicos ha aumentado de manera considerable debido a la actividad industrial creciente. Algunos desechos como herbicidas y pesticidas provenientes de la industria agrícola, y otros como colorantes provenientes de la industria textil son considerados como tóxicos para los ecosistemas y para el ser humano (Kusic y col., 2013).

Debido a esto, se han implementado métodos para el tratamiento de aguas residuales, los cuales consisten principalmente en oxidación biológica y procesos fisicoquímicos. Sin embargo, estos métodos son poco eficientes y generan lodos y efluentes con compuestos que no han sido totalmente degradados, los cuales deben ser tratados posteriormente para evitar un mayor daño ambiental (Barreca y col., 2014).

Por este motivo la comunidad científica se ha preocupado por encontrar métodos más eficientes y menos costosos para el tratamiento de aguas residuales. Entre estos métodos se encuentra la fotodegradación, la cual consiste en la descomposición de moléculas orgánicas mediada por un material que actúa como catalizador, y por luz visible o ultravioleta, dando como resultado final la obtención de dióxido de carbono y agua (Luna y col., 2003).

Por este motivo la comunidad científica se ha preocupado por encontrar métodos más eficientes y menos costosos para el tratamiento de aguas residuales. Entre estos métodos se encuentra la fotodegradación, la cual consiste en la descomposición de moléculas orgánicas mediada por un material que actúa como catalizador, y por luz visible o ultravioleta, dando como resultado final la obtención de dióxido de carbono y agua (Luna y col., 2003).

De los materiales utilizados en la fotodegradación el más utilizado es el dióxido de titanio (TiO2); sin embargo, actualmente se buscan nuevos materiales con propiedades fotocatalíticas, así como distintos métodos de síntesis que permitan su obtención a bajo costo (Luna y col., 2003).

Otro punto importante que se investiga sobre el proceso de tratamiento de aguas residuales son las técnicas empleadas para la fotodegradación de compuestos, de tal manera que se puedan optimizar los parámetros de trabajo.

En el presente trabajo se presentan las generalidades de los procesos de fotodegradación de compuestos orgánicos, catalizados por materiales cerámicos, las técnicas usadas para la obtención de estos materiales y algunas de las propiedades que los fotocatalizadores presentan.

ESTADO DEL ARTE
Procesos de fotocatálisis
De manera general, la fotocatálisis se puede considerar como la aceleración, por acción de un fotocatalizador, de una reacción en la cual participan fotones. Un fotocatalizador es un material que absorbe fotones y genera pares electrón-hueco y radicales libres, los cuales reaccionan con otras moléculas para generar nuevos compuestos. La fotocatálisis se aplica actualmente en el tratamiento de aguas residuales, para la degradación de colorantes como el azul de metileno, el rojo congo, anaranjado de metilo, algunos medicamentos y herbicidas, entre otras sustancias (Pouretedal y Keshavarz, 2010; Bayat y col., 2016).

Para que la reacción se lleve a cabo, el fotocatalizador deberá ser excitado por una fuente de luz. Los electrones excitados pueden adquirir suficiente energía para pasar de la banda de valencia del material a la banda de conducción, saltando la banda de energía prohibida (Eg) y generando así los pares electrón-hueco que serán los responsables de formar radicales libres para iniciar la fotodegradación. En la Fig. 1 se muestra el proceso de activación de un fotocatalizador.

La selección de la fuente de luz es de suma importancia, ya que de esto dependerá la eficiencia del proceso. Para realizar la selección se debe considerar la Eg del material, la cual corresponde a la diferencia de energía entre el máximo de la banda de valencia y el mínimo de la banda de conducción. Generalmente los fotocatalizadores utilizados en estas reacciones tienen una Eg entre 2.2 y 3.5 eV (Coronado, 2013).

En ocasiones en el tratamiento de aguas residuales, se adiciona además del fotocatalizador, una especie oxidante como peróxido de hidrógeno (H2O2) u oxígeno (O2). El catalizador excitado promueve una reacción tipo redox con las especies adsorbidas en su superficie, formando así radicales libres que comienzan con la degradación de los compuestos contaminantes. Además de esto, los radicales libres generados tienen la capacidad de dañar las membranas celulares de algunos organismos patógenos, de manera que también se puede lograr la desinfección del agua mediante este método (Portela y Hernández-Alonso, 2013).

Figura 1. Esquema general de la activación de un fotocatalizador (Colmenares y Xu, 2016).

MATERIALES CERÁMICOS UTILIZADOS EN FOTOCATÁLISIS
Actualmente el fotocatalizador más utilizado es el óxido de titanio (TiO2) debido a que es no tóxico y fácilmente escalable para su uso industrial. De las fases cristalinas que el TiO2 puede presentar, la anatasa es la que presenta mayor actividad fotocatalítica; sin embargo, las fases rutilo y brookita también poseen actividad fotocatalítica. También se ha reportado que las mezclas de fases cristalinas de TiO2 presentan una mayor actividad fotocatalítica (Castellote y Bengtsson, 2011; Mutuma, Shao, Kim, y Kim, 2015).

Debido a su alta Eg (>3.0 eV), generalmente se utiliza luz ultravioleta para activar al TiO2, aunque se requiere que los materiales catalizadores se puedan activar con luz visible para disminuir los costos del proceso. Debido a esto, se han propuesto catalizadores dopados con carbono o nitrógeno para facilitar la fotocatálisis utilizando luz visible (Ohama y Van Gemert, 2011). A pesar de eso, la forma en que afectan la concentración de los dopantes y su distribución al material cerámico no ha sido totalmente estudiada (Zdravkov y col., 2015).

Como materiales alternativos al TiO2 se han propuesto algunos óxidos metálicos, en la tabla 1 se muestran las Eg de algunos óxidos usados en fotocatálisis. El óxido de zinc (ZnO) ha adquirido gran interés recientemente, este semiconductor (Eg 3.2-3.7 eV) tiene una amplia gama de aplicaciones entre las que se encuentran la fabricación de transductores piezoeléctricos, sensores de gas, celdas solares, entre otras. A pesar de que se produce a un costo relativamente bajo, su aplicación en fotocatálisis es limitada debido a que solo puede ser activado con luz ultravioleta (Kashinath y col., 2015).

El óxido de tungsteno WO3 es otro semiconductor que presenta buenas propiedades fotocatalíticas. Este material se utiliza principalmente en la fabricación de celdas solares, dispositivos electrocrómicos, superconductores y fotocatálisis. En los procesos de tratamiento de aguas residuales con el uso de este catalizador se aplica voltaje externo para facilitar el proceso. A pesar de esto, el WO3 tiene la ventaja de que puede ser activado con la luz visible, su Eg se encuentra entre 2.36 y 3.2 eV, dependiendo del grado de cristalinidad de la muestra, y es estable en medios ácidos (García-Rodríguez, 2013).

El grafeno funcionalizado como óxido de grafeno ha sido recientemente investigado por sus propiedades ópticas y eléctricas. Este material tiene una estructura que le permite ser utilizado como material de soporte, ya que tiene una alta área superficial específica. Se ha observado que cuando el grafeno es dopado con heteroátomos presenta una actividad electrocatalítica alta y puede ser usado en reacciones de óxido-reducción (Cao y col., 2016).

Tabla 1. Valores de Eg (eV) de algunos óxidos metálicos (García-Rodríguez, 2013).

Algunos sulfuros como el sulfuro de zinc (ZnS) o sulfuro de cadmio (CdS) han sido recientemente investigados como fotocatalizadores debido a que pueden absorber luz visible. Actualmente se trabaja en la síntesis de sulfuros dopados con metales de transición como Ni, Fe y Ag con el objetivo de modificar su Eg para ampliar el rango de aplicaciones en fotocatálisis y otras como fotoluminiscencia (Pouretedal y Keshavarz, 2010).

A pesar de que se han reportado una gran cantidad de fotocatalizadores, hoy en día se requieren materiales más selectivos, que puedan activarse con luz visible y cuya obtención sea económica. Por este motivo, es importante encontrar métodos de síntesis que permitan la obtención de nuevos materiales con estas características, así como evaluar las propiedades fotocatalíticas de éstos y estudiar las reacciones de fotodegradación que se pueden llevar a cabo.

Métodos de síntesis de materiales cerámicos para aplicaciones en fotocatálisis
La estructura cristalina y algunas propiedades como el área superficial específica y el tamaño de partícula influyen en el efecto fotocatalítico del material, por esta razón es importante el desarrollo de un método de síntesis que permita obtener las propiedades necesarias para la aplicación deseada.

Dentro de los métodos de síntesis más utilizados para la obtención de materiales cerámicos se encuentran precipitación, sol-gel, reacción en estado sólido, entre otros (Gadhi y col., 2016; Issarapanacheewin y col., 2016; Bayat y col., 2016).

Un método reportado para la obtención de cerámicos como el TiO2 con tamaño de cristalita controlado es la síntesis solvotermal. Esto se logra variando la cantidad de solvente utilizado y la temperatura de síntesis. Es importante considerar el tamaño de cristalita para evitar aglomeraciones que impidan la acción del material (Zdravkov y col., 2015).

Se ha reportado también la obtención de nanopartículas de hidróxidos y carbonatos de metales como Mg, Sr, Ca, y Ba con propiedades fotocatalíticas mediante sonoquímica. Este método de síntesis permite obtener cerámicos a temperatura ambiente y con una gran variedad de morfologías (Mehrali y col. 2014; Momenian y col. 2013).

Como se mencionó anteriormente, para mejorar las propiedades catalíticas de los materiales cerámicos, es común realizar modificaciones, actualmente se utilizan técnicas como la inmovilización de metales en la superficie del material, sensibilización a colorantes, acoplamiento con semiconductores de menor Eg, y dopaje con metales (Rostami-Vartooni y col., 2016).

Además de las técnicas mencionadas anteriormente, también se investiga el desarrollo de semiconductores soportados debido a que presentan mayor eficiencia en los procesos de fotodegradación. Uno de los materiales más utilizados como soporte son las zeolitas y se ha reportado la obtención de partículas soportadas mediante métodos como intercambio iónico y sol-gel (Nagarjuna y col., 2015; Shams-Ghahfarokhi y Nezamzadeh-Ejhieh 2015).

Los materiales compuestos también son ampliamente utilizados en los procesos de fotodegradación, actualmente los compositos de TiO2 y grafeno han adquirido gran interés debido a sus propiedades. Se ha reportado la síntesis de compositos de grafeno mediante métodos hidrotérmicos, obteniendo una mejora en la capacidad de adsorción y fotodegradación del grafeno (Fu y col. 2016).

Existe una gran variedad de métodos para la obtención de materiales compuestos, entre ellos destaca la sonosíntesis. Este método ha sido utilizado en combinación con otros métodos como sol-gel o impregnación para obtener materiales compuestos con matriz cerámica de TiO2 y refuerzo de otros óxidos metálicos como el ZnO y el Fe2O3 (Behzadnia, Montazer, y Rad, 2015; Mirmasoomi, Ghazi, y Galedari, 2016).

CONCLUSIONES
Actualmente la fotocatálisis representa una alternativa viable a los métodos comunes utilizados para el tratamiento de aguas residuales. Por esta razón es de gran interés el desarrollo de nuevos materiales que actúen como fotocatalizadores.

Además del estudio de las propiedades catalíticas y los métodos de obtención del TiO2, una gran cantidad de materiales cerámicos como sulfuros, óxidos e hidróxidos también son utilizados como materiales fotocatalíticos. Así mismo, se ha reportado la modificación de los fotocatalizadores convencionales y el desarrollo de materiales compuestos que permiten el aumento de la actividad fotocatalítica.

Las propiedades del material tales como el tamaño de partícula y la actividad fotocatalítica, están estrechamente ligadas con el método de síntesis. Algunos métodos como el de sol-gel, han sido ampliamente utilizados para sintetizar fotocatalizadores; sin embargo, es necesario optimizar los métodos ya existentes y desarrollar otros nuevos que permitan la obtención de materiales fotocatalíticos eficientes que puedan ser utilizados en los procesos de tratamiento de aguas residuales.

AGRADECIMIENTOS
Se agradece al CONACYT por la beca otorgada No. 446796 y a la Maestría en Ciencia y Tecnología de Materiales de la Universidad Autónoma de Coahuila.

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