Estudio estructural sobre compósitos a base de hidrocincita y dióxido de titanio

Abstract

Este trabajo se centra en la descripción estructural de compósitos híbridos formados por una matriz inorgánica a base de especies derivadas de óxido de Zn o de Ti y una fase orgánica formada por el anión del ácido esteárico. La descripción estructural y química de fases, estudiada mediante difracción de rayos X de polvos (PDRX), análisis termogravimétrico (TGA) y espectroscopía infrarroja (IR), se complementó con un estudio de la textura de los productos mediante fisisorción de nitrógeno. A base de lo anterior se construyeron modelos estructurales de los productos ajustando sus propiedades con las de diferentes estructuras cristalinas de productos y precursores similares informados en la literatura. De esta manera nuestra hipótesis establece que es posible estudiar las estructuras conformacionales de los nanocompósitos autoensamblados de Zn o Ti con surfactantes orgánicos, que proporcionen información nueva y relevante sobre sus propiedades ayudando así a la comprensión de su uso para la remoción fotocatalítica de contaminantes. Acorde con lo anterior, los objetivos específicos a desarrollar consideran: (i) obtener una isoterma de la fisisorción de nitrógeno que permita determinar la textura, área superficial y porosidad, de los materiales, y (ii) crear modelos que se ajusten, principalmente, a la información presente en los difractogramas obtenidos. Es decir, que ilustren tanto el apilamiento vertical como del empaquetamiento horizontal típicos de los productos en estudio. Se determina que la fase inorgánica del compósito con zinc se corresponde con una capa doble de hidrocincita. El apilamiento vertical de las cadenas orgánicas ocurre cada 42,949Å según lo indican las señales 00l. El ángulo de las cadenas orgánicas es de 36,85°. La razón Zn:estearato es 5,510:1. En otras palabras, cada Zn superficial está asociado a una cadena orgánica. Se calculó una distorsión de los ejes respecto de la red cristalina. El eje a aumenta 6%, el eje b se contrae un 10,5% y el el eje c crece un 5,1%. Por comparación entre el modelo y el PDRX medido se concluye que existe una interdigitación de las cadenas, a diferencia de la cristalización orgánica natural de las cadenas orgánicas donde la interacción es entre grupos metilo terminales. La subcelda orgánica debe tener una organización paralela. El análisis por fisisorción está de acuerdo con la formación de láminas según su clasificación de isoterma tipo IIb. La distribución de poros por BJH, suponiendo poros cilíndricos, informa la generación de mesoporos entre los cristalitos del material con radios de 20,1730Å. Complementariamente el índice D fractal correspondiente es de 2,7710. Respecto al compósito de dióxido de titanio: se sugiere que la fase inorgánica está formada por una sola capa de TiO2(B). Particularmente con una extensión del plano 120 de este cristal. Las láminas se apilan verticalmente cada 27,93Å, con las cadenas orgánicas en un ángulo de 28,01°. No se puede establecer una configuración de la subcelda orgánica en concreto. La razón Ti:estearato es 2,7827:1. Su isoterma se corresponde con la clasificación IIa. La distribución BJH indica una distribución más compleja que la del compósito con Zn, ya que se observan tres picos de poros característicos. Finalmente, su índice D es 2,5882.

This work focuses on the structural description of hybrid compounds formed by an inorganic matrix based on species derived from Zn or Ti oxide and an organic phase formed by stearic acid anion. The structural and chemical description of phases, studied by powder X-ray diffraction (PDRX), thermogravimetric analysis (TGA) and infrared spectroscopy (IR), was complemented with a study of the texture of the products by nitrogen physisorption. Based on the above, structural models of the products were built adjusting their properties with those of different crystalline structures of similar products and precursors reported in the literature. In this way, our hypothesis stablish that it is possible to study the conformational structures of self-assembled Zn or Ti nanocomposites with organic surfactants, which provide new and relevant information about their properties, thus helping to understand their photocatalytic behavior for removal of contaminants. In accordance with the above, the objectives to be developed include: (i) to obtain an isotherm of nitrogen physisorption that allows determining the texture, surface area, and porosity of the materials, and (ii) to create models that fit, mainly, to the information present in the diffractograms obtained. That is, they illustrate both the vertical stacking and the horizontal packaging typical of the products under study. It is determined that the inorganic phase of the composite with zinc corresponds to a double layer of hydrozincite. Vertical stacking of organic chains occurs every 42.949Å as indicated by the 00l signals. The angle of the organic chains is 36.85°. The Zn:stearate ratio is 5,510:1. In other words, each surface Zn is associated with an organic chain. A distortion of the axes with respect to the crystal lattice was calculated. The a axis increased 6%, the b axis contracted 10.5% and the c axis grew 5.1%. By comparison between the model and the PDRX measured, it is concluded that there is an interdigitation of the chains, unlike the natural organic crystallization of the organic chains where the interaction is between terminal methyl groups. The organic subcell must have a parallel organization. The physisorption analysis is in agreement with the formation of sheets according to its classification of type IIb isotherm. The pore distribution by BJH, assuming cylindrical pores, reports the generation of mesopores between the crystallites of the material with radii of 20.1730Å. Complementarily, the corresponding fractal index D is 2.7710. Regarding the titanium dioxide composite: it is suggested that the inorganic phase is formed by a single layer of TiO2(B). Particularly with an extension of the 120 plane of this crystal. The sheets are stacked vertically every 27.93Å, with the organic chains at an angle of 28.01°. A particular organic subcell configuration cannot be set. The Ti:stearate ratio should be 2,7827:1. Its isotherm corresponds to the IIa classification. The BJH distribution indicates a more complex distribution than that of the composite with Zn, since three characteristic pore peaks are observed. Finally, its D-index is 2.5882.