Síntesis de TiO2 fase Anatasa y Materiales Compuestos de TiO2 – Fe2O3/ZnO y TiO2 – Fe2O3/ZnO – Acetato de Celulosa y Evaluación Fotocatalítica

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SOFÍA ESTRADA FLORES

Resumen
En el presente trabajo de tesis se realizó la síntesis y caracterización de anatasa y materiales compuestos a base de anatasa y su posterior evaluación como fotocatalizadores para la degradación de azul de metileno. En la síntesis de anatasa por el método de sol-gel, se investigó el efecto del uso de los surfactantes polietilenglicol (PEG), dodecil sulfato de sodio (SDS) y bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB), a dos valores de pH (3 y 6) sobre la estructura química y cristalina, así como la morfología, la textura y el valor de la brecha de energía prohibida (Eg). Posteriormente se sintetizaron y caracterizaron materiales compuestos de TiO2 – Fe2O3 y TiO2 – ZnO mediante el método de mecanosíntesis. Finalmente, se obtuvieron materiales compuestos de TiO2 – Fe2O3/ZnO – acetato de celulosa por el método de mezclado en solución. Las muestras con mejores propiedades ópticas se evaluaron como fotocatalizadores en la degradación de azul de metileno con luz visible y UV.
La muestra SDS 3A, sintetizada con SDS como surfactante y en un lapso de 48 horas de reacción, utilizando un pH de 3, presentó el menor valor de Eg (2.88 eV), lo cual se relaciona con su morfología esférica y un tamaño de diámetro hidrodinámico menor que el de las muestras de anatasa sintetizadas con PEG y CTAB. Cabe destacar que todas las muestras de anatasa sintetizadas presentaron mesoporosidad, áreas desde 29 hasta 91.37 m2/g, valores de Eg entre 2.88 y 3.15 eV y una buena absorción en la región UV del espectro electromagnético, con un ligero desplazamiento hacia la región visible.
También se encontró que la velocidad de molienda y la cantidad de hematita en los compositos de TiO2-Fe2O3 afectó su cristalinidad. La incorporación de hematita provocó un cambio en los parámetros a y b de la celda cristalina de la anatasa. La muestra con valor de Eg más bajo fue la AH2 250 (2.60 eV). En los compositos de TiO2 – ZnO la cantidad de ZnO no influyó en las propiedades ópticas ni en la estructura cristalina de la anatasa, ni en la morfología. El TiO2 fue el responsable de disminuir la brecha de energía prohibida del ZnO de 3.13 eV a 3.08 eV, y de modificar la celda cristalina del ZnO, haciendo más grande el parámetro a de la celda.
La muestra SDS 3A permitió la degradación de azul de metileno bajo irradiación visible y UV, obteniendo porcentajes de 52 y 100% respectivamente, a una hora. El material compuesto de TiO2 – Fe2O3 AH2 250, sintetizado con 2% mol de hematita y a una velocidad de molienda de 250 rpm, fue con el que se obtuvo un mayor porcentaje de degradación bajo luz visible (71%), mientras que con la hematita se logró un 17%. La muestra ZnO SDS permitió degradar hasta un 58% de la solución de azul de metileno bajo radiación solar después de tres horas de irradiación y la muestra SDS 3A un 40%.
Los materiales compuestos con acetato de celulosa fueron películas flexibles. La incorporación de la celulosa  aumentó ligeramente el valor de Eg de las muestras debido a que el polímero recubrió a las partículas formando pequeñas esferas de coraza polimérica con núcleo cerámico. Las muestras pudieron ser fácilmente manipuladas y recuperadas de los medios acuosos donde se realizó la fotocatálisis.

Abstract
In the present work the synthesis and characterization of anatase and composite materials based on anatase has been made, followed by their photocatalytic evaluation. In the synthesis of anatase by the sol-gel method, using TTIP as precursor, the effect of the use of PEG, SDS and CTAB as surfactants, at pH values of 3 and 6 was investigated over the chemical and crystalline structure as well as the morphology of the product and the band gap values. After that, the synthesis of TiO2 – Fe2O3 and TiO2 – ZnO composite materials was made by the mechanochemical method. Finally, the obtaining of TiO2 – Fe2O3/ZnO – cellulose acetate composite materials was made by mixed in solution. The samples with the best optical and morphological properties were evaluated as photocatalyst used in the degradation of methylene blue.
The sample SDS 3A presented the lowest band gap from all the anatase samples (2.88 eV), this value is related to its spherical morphology. All anatase samples presented mesoporous and specific surface areas from 29 to 91.37 m2/g, as well as band gap values between 2.88 and 3.15 eV and a good absorption in the UV region of the electromagnetic spectrum, presenting a slight displacement to the visible region. It was also found that the grinding speed and the amount of hematite present in the TiO2-Fe2O3 samples affected the crystallinity. The incorporation of hematite augmented the a and b parameters of the anatase crystal cell. The sample with the lowest band gap, with a value of 2.60 eV, was the sample AH2 250. In the samples of TiO2-ZnO the amount of ZnO does not have an effect on the optical properties or crystalline structure. The TiO2 is the responsible for lowering the band gap of the ZnO from 3.13 eV to 3.08 eV and that it modifies the crystalline cell of the ZnO due to the formation of a composite, expanding the parameter a.
The sample SDS 3A allowed the total degradation of the colorant under visible and UV light, with 52 and 100%, respectively. The composite material AH2 250, allowed a degradation of 71% under visible light due to the presence of Fe2O3. With the sample ZnO SDS a degradation of 58% was obtained against 40% obtained with the anatase SDS 3A.
The composite materials with cellulose acetate matrix were flexible films, even though the incorporation of the cellulose acetate increased the band gap of the samples because the polymer covers the ceramics, obtaining a particle core-shell like, the manipulation of the films facilitates the use of the photocatalytic materials in aqueous environments.

Síntesis de TiO2 fase Anatasa y Materiales Compuestos de TiO2 – Fe2O3/ZnO y TiO2 – Fe2O3/ZnO – Acetato de Celulosa y Evaluación Fotocatalítica


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