Desarrollo de nuevos fotocatalizadores heterogéneos basados en In2O3 soportado para la descontaminación de aguas

Abstract

[ES] El uso excesivo de los recursos hídricos y la contaminación de las fuentes naturales han incrementado la presión sobre el suministro de agua, reduciendo tanto su disponibilidad como su calidad. Esta situación representa un riesgo significativo para la salud humana y los ecosistemas, por lo que la descontaminación del agua para su reutilización resulta esencial.

Para enfrentar esta problemática, los procesos de oxidación avanzada, concretamente, la fotocatálisis heterogénea basada en semiconductores, ha demostrado un potencial prometedor. El TiO2, conocido por su capacidad para producir radicales hidroxilo (OH ), es una de las estrategias de descontaminación más estudiadas. Sin embargo, solo absorbe luz en el UV por lo que aprovecha poco el espectro solar. En este contexto, el semiconductor In2O3 presenta un mayor aprovechamiento de la luz del sol, lo cual lo convierte en un posible candidato para su uso en descontaminación fotocatalítica y/o generación de hidrógeno. También destacar, que el uso de soportes para la inmovilización de estos semiconductores aumenta su actividad fotocatalítica evitando su aglomeración y facilita su uso en flujo continuo a gran escala. De esta forma, el presente trabajo se enfocó en la síntesis de nuevos fotocatalizadores basados en In2O3 soportado mediante el uso de disolventes convencionales y disolventes eutécticos profundos (DES). Dada la amplia experiencia del equipo de investigación en la síntesis de fotocatalizadores soportados de SiO2 y TiO2, se pensó preparar materiales SiO2@TiO2@In2O3. Así, primero se hizo un optimizado de las esferas de SiO2@TiO2 y después se soportó el In2O3 en las esferas de SiO2@TiO2;. Variando diferentes parámetros como los moles de InCl3, los moles de NH4OH y la relación entre ambos, se obtuvieron diferentes recubrimientos con tamaños de cristal y cargas de In2O3 distintas. También se exploró la síntesis de los mismos utilizando disolventes eutécticos profundos (DES), a partir de los que se logró un menor recubrimiento de In2O3. Tras la síntesis se caracterizaron todos los fotocatalizadores sintetizados por distintas técnicas.

El estudio de la actividad fotocatalítica de las esferas SiO2@TiO2@In2O3 se realizó comparando estas con los resultados obtenidos para las esferas SiO2@TiO2. A partir de la degradación del contaminante 1H-benzotriazol, se demostró que, al irradiar con LEDs a 365 nm, la presencia de cristales de In2O3 sobre las esferas de SiO2@TiO2 no mejoraba las propiedades fotocatalíticas del material. Posiblemente, este efecto se deba a que, aunque el In2O3 favorezca la separación de cargas del TiO2 y viceversa, haya un proceso de back electron transfer entre la banda de valencia del In2O3 y el agua oxidada. Esto impedirá que el proceso redox evolucione y que se dé lugar a la formación de radicales OH· por la oxidación del agua. Consecuentemente, la degradación del benzotriazol se ralentiza. También se realizaron medidas de fluorescencia de los fotocatalizadores sintetizados, sin embargo, no fueron congruentes con los resultados fotocatalíticos obtenidos ya que la fluorescencia aumentaba cuanto mayor era la cantidad de In2O3.

A pesar de que los resultados obtenidos en fotodegradación de este contaminante no han mejorado los logrados para SiO2@TiO2, se explorará su eficiencia en otras aplicaciones como generación de H2.

[EN] The excessive use of water resources and the pollution of natural sources have increased pressure on the water supply, reducing both its availability and quality. This situation poses a significant risk to human health and ecosystems, making water decontamination for reuse essential.

To solve this issue, advanced oxidation processes, specifically semiconductor-based heterogeneous photocatalysis, have shown promising potential. TiO2, known for its ability to produce hydroxyl radicals (OH ), is one of the most studied decontamination strategies. However, it only absorbs UV light, thus utilizing a small portion of the solar spectrum. In this context, the semiconductor In2O3 takes better advantage of sunlight, making it a potential candidate for use in photocatalytic decontamination and/or hydrogen generation. It is also worth mentioning that the use of supports for immobilizing these semiconductors increases their photocatalytic activity by preventing agglomeration and facilitating their use in large-scale continuous flow systems.

Thus, the present work focused on the synthesis of new photocatalysts based on In2O3 supported by the use of conventional solvents and deep eutectic solvents (DES). Given the research group's extensive experience in synthesizing supported SiO2@TiO2 photocatalysts, it was proposed to prepare SiO2@TiO2@In2O3 materials. First, the SiO2@TiO2 spheres were optimized, and then In2O3 was supported on the SiO2@TiO2 spheres. By varying different parameters such as the moles of InCl3, the moles of NH4OH, and the ratio between the two, different coatings with distinct crystal sizes and In2O3 loads were obtained. The synthesis of the same was also explored using deep eutectic solvents (DES), resulting in a lower In2O3 coating. After the synthesis, all the photocatalysts were characterized using various techniques.

The study of the photocatalytic activity of the SiO2@TiO2@In2O3 spheres was carried out by comparing them with the results obtained for the SiO2@TiO2 spheres. Based on the degradation of the contaminant 1H-benzotriazole, it was demonstrated that, upon irradiation with LEDs at 365 nm, the presence of In2O3 crystals on the SiO2@TiO2 spheres did not improve the photocatalytic properties of the material. This effect is possibly due to the fact that, although In2O3 promotes charge separation in TiO2 and vice versa, there may be a back electron transfer process between the valence band of In2O3; and the oxidized water. This would prevent the redox process from progressing and hinder the formation of OH radicals through water oxidation. Consequently, the degradation of benzotriazole slows down. Fluorescence measurements were also performed on the synthesized photocatalysts; however, they were not consistent with the obtained photocatalytic results, as fluorescence increased with higher amounts of In2O3.

Although the results obtained in the photodegradation of this contaminant did not surpass those obtained with SiO2@TiO2@In2O3, its efficiency will be explored in other applications, such as hydrogen generation.