Síntesis controlada de semiconductores metal-óxido nanoestructurados y su efecto en el tratamiento de aguas contaminadas por fotocatálisis heterogénea

Abstract

En este trabajo de investigación se desarrolló una comprensión exhaustiva acerca del diseño y síntesis por vía hidrotermal de semiconductores nanoestructurados metal-óxido de TiO2 y SnO2 con morfologías y unidad dimensional controladas, abarcando nanoestructuras cero- (0D), uni- (1D), bi- (2D) y tri-dimensionales (3D). Se estudió la correlación entre el efecto de la variación en la dimensionalidad estructural sobre el comportamiento catalítico de estos materiales para foto-oxidar contaminantes de diferente naturaleza química (orgánicos e inorgánicos), evaluada a partir de sus capacidades para fotogenerar especies reactivas de oxígeno (ROS). Los ROS generados fueron cuantificados a través de la producción de radicales hidroxilo (•OH) y oxígeno singlete (1O2), mientras que la actividad fotocatalítica fue evaluada bajo condiciones de operación optimizadas para cada set de semiconductores metal-óxido. El naranja de metilo (NM) y la Rodamina B (RhB) fueron empleados como contaminantes orgánicos modelos, mientras que el arsénico (As), en su forma más tóxica de arsenito (H3AsO30) fue estudiado como contaminante inorgánico. Los resultados indicaron que estas reacciones de oxidación proceden preferencialmente a través de reacciones directas con los radicales •OH, más que con el O2-• y el 1O2. El amplio barrido realizado en el estudio de evolución morfológica y dimensional de los diferentes materiales de TiO2 y SnO2, proporcionó las bases para establecer una buena correlación lineal entre la velocidad de foto-oxidación de cada contaminante y la concentración de ROS generada, según la varia la dimensionalidad del material, demostrando que cuanto más alta es la generación de ROS, mayor es la actividad de oxidación del fotocatalizador. El incremento en el área superficial al disminuir el tamaño de partícula también se correlacionó positivamente con el aumento en la tasa de generación •OH y por ende con un aumento en la fotoactividad, como resultado de una mayor superficie total disponible para llevar a cabo las reacciones redox. La dimensionalidad y la morfología nanométrica del material afectan su estructura electrónica dirigiendo el camino de difusión de los pares electrón-hueco para evitar su recombinación, y modificando las posiciones de sus bandas de valencia y de conducción que definen la capacidad energética del material para producir un tipo específico de ROS. Adicionalmente, se ha sugerido que la presencia de defectos estructurales del tipo vacancias de oxígeno (VO) actúa como sitios activos que favorecen una mayor generación de ROS.