Autores
Rosales, M. (UNIVERSIDAD DE CHILE) ; Andreina, G. (UNIVERSIDAD DE CHILE)
Resumo
Recientemente un enfoque de investigación relevante va dirigido al diseño de
nuevos materiales con morfologías controladas. La forma que presenta un
semiconductor (SC) influye fuertemente en sus propiedades ópto-electrónicas,
afectando su capacidad de absorción de luz en el espectro solar, y a su vez el
rendimiento fotoactivo frente a la degradación de contaminantes en aguas. Aquí,
se investigó la capacidad fotoactiva de diferentes nanomateriales de SnO2,
incluyendo nanopartículas, nanobarras, nanoláminas y nanoflores en la
degradación fotocatalítica de naranja de metilo. Una correlación entre la
variación morfológica y su capacidad fotoactiva fue establecida. Se demuestra
que el control morfológico es un factor determinante que sustenta la eficacia de
SCs de SnO2 en aplicaciones solares
Palavras chaves
NANOMATERIALES; Morfología; Fotoactividad
Introdução
La actual escasez de los recursos hídricos y los graves problemas de
contaminación asociados a la presencia de complejas moléculas orgánicas se ha
convertido en una de las más grandes preocu-paciones para la salud humana y el
medio ambiente; ya que una vez que éstos entran en contacto con el agua, ésta
deja de ser apta para el consumo humano, haciendo que su eliminación a través de
métodos de purificación eficientes sea una necesidad urgente. En vista de esto,
surge la fotocatálisis heterogénea como una tecnología amigable con el medio
ambiente que permite el uso de radiación solar para degradar parcial o
totalmente una gran variedad de contaminantes a través de reacciones de óxido-
reducción.
Recientemente el campo de investigación relacionado con la nanociencia y la
nanotecnología ha estado dirigido hacia el diseño de nuevos materiales cuyas
propiedades morfológicas puedan adap-tarse para tratar estos contaminantes
eficientemente por fotocatálisis. Un ajuste del tamaño y la morfología de estos
sólidos podría mejorar su rendimiento como fotocatalizadores y ampliar el rango
de aplicación de estos materiales. Es por ello, que un adecuado control sobre el
diseño de la morfología del material, permitiría aprovechar y modular sus
propiedades en la nanoescala. Este trabajo de investigación busca profundizar en
el conocimiento del efecto de un preciso control de la morfo-logía de
nanomateriales basados en SnO2 sobre sus parámetros estructurales, físico-
químicos y especialmente, fotoquímicos a partir de la generación de especies
reactivas de oxígeno (ROS), que influyen en la eficiente oxidación
fotocatalítica, con el objetivo de encontrar una relación entre esta capacidad
de foto-oxidación, las propiedades fotoquímicas y la morofología que presenta el
material.
Material e métodos
Síntesis y caracterización del nanomaterial
Diferentes nanomateriales de SnO2 con morfologías y unidad dimensional definida
(estructuras OD, 1D, 2D y 3D), se obtuvieron empleando una síntesis hidrotermal.
Para ello, el protocolo requiere de una base como agente mineralizador, y el
empleo de un agente director como el etanol para obtener las diferentes
morfologías. Parámetros como la concentración del agente mineralizador, el tipo
de agente director, la temperatura y tiempos de reacción, conllevaron a cambios
en la dimensionalidad del material de SnO2 sintetizado. La estructura,
morfología, tamaño de partículas y fase cristalina fueron determinadas mediante
TEM, SEM y DRX. Se determinó el área superficial mediante BET y las propiedades
ópticas se caracterizaron por DRS. Mientras que las propiedades fotoquímicas
fue-ron evaluadas a través de la generación de ROS, cuantificando los radicales
hidroxilo (•OH) y oxí-geno singlete (1O2), a través de la reacción de
hidroxilación del ácido tereftalico y el test de histina.
Ensayos de degradación de colorantes
El contaminante estudiado en los ensayos de fotoactividad fue el naranja de
metilo, empleando un foto-reactor LuzChem LZC-4V, dentro del cual se colocó un
vaso precipitado con 200 mL del agua contaminada a la cual se le añadió el
fotocatalizador con una carga optimizada. La mezcla fue agitada en oscuridad
durante 60 minutos para garantizar el equilibrio de adsorción-desorción. Luego
el sistema fue irradiado y durante el transcurso del experimento se tomaron
alícuotas de la muestra por periodos de tiempo constantes hasta el tiempo final
de reacción, estas alícuotas fueron centrifugadas para separar la solución
contaminante del sólido y luego la concentración de del contaminante fue medida
por espectroscopia UV-Vis
Resultado e discussão
Un conjunto de cuatro muestras SnO2 con diferentes morfologías han sido
analizadas, y evaluan-do la influencia de la concentración del agente
mineralizador, el agente director, la temperatura y el tiempo de reacción en la
evolución morfológica de estos materiales. Las características morfológi-cas de
estos materiales de SnO2 determinaron sus propiedades físicas y químicas y a su
vez juegan un papel clave en la eficiencia fotoquímica y fotocatalítica de cada
uno de ellos. Nanomateriales con cuatro dimensionalidades distintas:
nanopartículas (NP-0D), nanobarras (NB-1D), nanoláminas (NL-2D) y nanoflores
(NF-3D) fueron obtenidas (figura 1), mostrando SnO2 como única fase cristalina.
Los valores de band gap se vieron fuertemente afectados por las diferentes
morfologías, variando su rango de absorción desde el UV hasta el visible, según
varia la forma del material.
Se sugiere que el mecanismo de crecimiento de estas partículas está
principalmente influenciado por un proceso de nucleación que ocurre durante las
reacciones de condensación llevadas a cabo durante el proceso hidrotermal.
Estos núcleos actúan como semillas que inducen el crecimiento, y gracias a las
fuerzas polares ocurre una agregación en una dirección orientada (Figura 2). Una
rela-ción entre la estructura electrónica de estos óxidos metálicos de SnO2 y la
fotogeneración preferente de un tipo específico de ROS fue demostrado. La mayor
eficiencia de degradación de NM fue observada sobre NP-OD, atribuyéndose a su
mayor capacidad para generar ROS. Así, se demuestra que las diferencias
morfológicas afectan las propiedades superficiales, ópticas y electrónicas de
cada material, al igual que las propiedades fotoquímicas y fotocatalíticas.
Convirtiendose en un parámetro clave a la hora de diseñar nanomateriales
Conclusões
El trabajo demuestra que es posible promover el crecimiento del nanomaterial en
una dirección dimensional específica al modificar el tratamiento térmico, tiempo
de reacción y concentración del mineralizador. Estos cambios morfológicos afectan
propiedades claves del semiconductor como las superficiales, ópticas y
electrónicas, que al mismo tiempo influyen sobre las propiedades fotoquí-micas y
fotocatalíticas. Así, existe una correlación directa entre la fotoactividad y la
morfología del nanomaterial.
Agradecimentos
Agradecimientos a la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo ANID/CONICYT a
través del programa de posdoctorado FONDECYT 2022 (3220433), al Fondo Nacional de
Desarrollo Científico y Tecnológico (FONDECYT REGULAR 1220088)
Referências
[1] A. García, M. Rosales, M. Thomas, G. Golemme, Journal of Environmental Chemical Engineering 2021, 9, 106443.
[2] M. Rosales, J. Orive, R. Espinoza-González, R. Fernández de Luis, R. Gauvin, N. Brodusch, B. Rodríguez, F. Gracia, A. García, Chemical Engineering Journal 2021, 415, 128906.
[3] M. Rosales, A. Garcia, V. M. Fuenzalida, R. Espinoza-González, G. Song, B. Wang, J. Yu, F. Gracia, A. Rosenkranz, Applied Materials Today 2020, 20, 100769.
[4] M. Rosales, T. Zoltan, C. Yadarola, E. Mosquera, F. Gracia, A. García, Journal of Molecular Liquids 2019, 281, 59–69.
