Desarrollo de nuevos fotocatalizadores heterogéneos basados en WO3 para la descontaminación de aguas residuales

Abstract

[ES] Los procesos de oxidación avanzada, caracterizados por su capacidad de generar especies con gran poder oxidante, son una de las soluciones para la eliminación de compuestos orgánicos no biodegradables en aguas residuales. Entre los procesos referidos se encuentra la llamada fotocatálisis heterogénea, donde destaca el uso de dióxido de titanio (TiO2) para la generación de, entre otras especies radicalarias, radicales hidroxilo, una de las especies más oxidantes conocidas. No obstante, una de los grandes desventajas que presenta el TiO2 es el aprovechamiento de únicamente un 9 % del espectro solar. Frente a esta problemática, en los últimos años se ha presentado el trióxido de tungsteno (VI) (WO3) como una prometedora alternativa al TiO2, gracias a la presencia de una banda prohibida estrecha, así como por la capacidad para absorber radiación en el rango del espectro visible.

A pesar de estas atractivas características, el WO3 presenta una capacidad fotocatalítica limitada debido a la rápida recombinación del par electrón-hueco tras haber sido fotoexcitado. Ante esta situación, este trabajo de fin de máster se ha centrado en evitar dicha recombinación del par electrón-hueco, proponiendo dos soluciones que ayudarán eventualmente a aumentar la capacidad fotocatalítica del WO3. En primer lugar, se ha propuesto la utilización de H2O2 por su capacidad para secuestrar el electrón fotoexcitado del WO3. En segundo lugar, se ha llevado a cabo la formación de una heterounión con el WO3 y el óxido de hierro (Fe3O4) con el objetivo de hacer migrar los electrones excitados desde la banda de conducción del WO3 a la banda de conducción del Fe3O4.

Con estos antecedentes, en este trabajo presentamos la síntesis de dos fotocatalizadores basados en WO3. Primero, se ha soportado WO3 sobre partículas de óxido de silicio (SiO2), lo que ha dado lugar a fotocatalizadores de tipo SiO2@WO3. Segundo, se han decorado los fotocatalizadores SiO2@WO3 previamente sintetizados con nanopartículas de Fe3O4, dando lugar a los fotocatalizadores SiO2@WO3@Fe3O4. A continuación se ha llevado a cabo una extensa caracterización de los fotocatalizadores sintetizados. Finalmente, se ha estudiado la capacidad fotocatalítica de los fotocatalizadores SiO2@WO3 y SiO2@WO3@Fe3O4 mediante la degradación de azul de metileno en presencia de H2O2, concluyendo que tanto el uso de H2O2 como la formación de la heterounión con Fe3O4 son dos estrategias eficientes para evitar la recombinación del par electrón-hueco en la banda de valencia del WO3.

[EN] Advanced oxidation processes, which are characterized by their ability to generate species with great oxidizing power, are one of the solutions for the elimination of non-biodegradable organic compounds in wastewater. One of the referred processes is heterogeneous photocatalysis, where the use of titanium dioxide (TiO2) stands out in the generation of, among other radical species, hydroxyl radicals, one of the most oxidizing species known. However, one of the biggest disadvantages of TiO2 is that it can only take advantadge of the 9 % of the solar spectrum. In order to overcome this problem, tungsten trioxide (VI) (WO3) has been proposed as a promising alternative to TiO2 in recent years, due to its narrow band-gap and its ability to absorb radiation in the visible spectrum range. Despite these attractive features, WO3 exhibits a limited photocatalytic ability due to the fast recombination of the electron-hole pair after being photoexcited. In this context, this master's thesis has focused on avoiding the mentioned recombination of the electronhole pair, proposing two solutions that will eventually help to increase WO3's photocatalytic activity. First of all, the use of H2O2 has been proposed due to its capacity to capture the photoexcited electron from WO3. Secondly, the formation of a heterojunction between WO3 and iron oxide (Fe3O4) has also been proposed, which will make the excited electrons migrate from the conduction band of WO3 to the conduction band of Fe3O4. In this regard, herein we present the synthesis of two photocatalysts based on WO3. First, WO3 has been supported on silicon oxide (SiO2) particles, leading to SiO2@WO3 type photocatalysts. Second, the previously synthesized SiO2@WO3 photocatalysts have been decorated with Fe3O4 nanoparticles, leading to SiO2@WO3@Fe3O4 photocatalysts. Subsequently, the synthesized photocatalysts have been characterized with several techniques. Finally, the photocatalytic activity of SiO2@WO3 and SiO2@WO3@Fe3O4 photocatalysts has been tested by the degradation of methylene blue in the presence of H2O2, concluding that both the use of H2O2 and the formation of the heterojunction with Fe3O4 are two efficient strategies to avoid recombination of the electron-hole pair in the valence band of WO3.