Evaluación de la eficiencia fotocatalítica de nanoestructuras de elevada área superficial para la eliminación de contaminantes orgánicos

Abstract

[ES] El presente Trabajo Fin de Grado (TFG) ha consistido en la evaluación de la eficiencia fotocatalitica de nanoestructuras de dióxido de titanio de elevada área superficial en la eliminación de contaminantes orgánicos presentes en un efluente líquido. Para ello, en primer lugar, se fabricaron nanoestructuras de dióxido de titanio por medio de la técnica de anodizado electroquímico, las cuales se obtuvieron a diferentes condiciones hidrodinámicas de flujo (Reynolds 0, 200, 400 y 600). Al ser el dióxido de titanio un semiconductor, las nanoestructuras se sometieron posteriormente a un tratamiento térmico controlado obteniendo así una estructura cristalina anatasa, la cual tiene la propiedad de dotar al dióxido de titanio de más conductividad. La formación de la estructura anatasa se pudo comprobar con ayuda de un microscopio Raman Confocal. También se observaron las nanoestructuras de dióxido de titanio en el microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FE-SEM), el cual permitió caracterizar la estructura obtenida: nanotubos, en el caso de Reynolds 0, y nanoesponjas, en el caso de condiciones hidrodinámicas de flujo. Una vez fabricadas y caracterizadas las nanoestructuras de dióxido de titanio, se utilizaron como fotocatalizadores para llevar a cabo la degradación del naranja de metilo mediante la técnica de fotoelectrocatálisis. Estos ensayos consistieron en sumergir la nanoestructura en una disolución de naranja de metilo y aplicar sobre la misma un haz de luz y un potencial constantes durante ocho horas. Para determinar la eficacia de la degradación, se midió cada dos horas la absorbancia de la disolución con ayuda de un espectrofotómetro, lo cual permitía conocer la concentración remanente de naranja de metilo utilizando la recta de calibrado obtenida previamente. Con todas las nanoestructuras se observó la disminución de concentración del contaminante, siendo mayor la degradación con los nanotubos obtenidos a Reynolds 0, aunque muy próxima a la conseguida con las nanoesponjas obtenidas a Reynolds 600. Por último, también se realizaron ensayos de conversión de fotón incidente-electrón generado (IPCE) para determinar la eficiencia energética de las nanoestructuras obtenidas cuando se le aplica un espectro de luz. En este caso son las nanoesponjas obtenidas bajo condiciones hidrodinámicas de flujo las que presentan una mayor eficiencia energética.

[CA] El present Treball Fi de Grau (TFG) ha consistit en l'avaluació de l'eficiència fotocatalítica de nanoestructuras de diòxid de titani d'elevada àrea superficial en l'eliminació de contaminants orgànics presents en un efluent líquid. Per açò, en primer lloc es van fabricar nanoestructures de diòxid de titani per mitjà de la tècnica d'anoditzat electroquímic, les quals es van obtenir a diferents condicions hidrodinàmiques de flux (Reynolds 0, 200, 400 i 600). Al ser el diòxid de titani un semiconductor, les nanoestructures es van sotmetre posteriorment a un tractament tèrmic controlat obtenint així una estructura cristal·lina anatasa, la qual té la propietat de dotar al diòxid de titani de més conductivitat. La formació de l'estructura anatasa es va poder comprovar amb ajuda d'un microscopi Raman Confocal. També es van observar les nanoestructures de diòxid de titani en el microscopi electrònic d'escombratge d'emissió de camp (FE-SEM), el qual va permetre caracteritzar l'estructura obtinguda: nanotubs, en el cas de Reynolds 0, i nanoesponjes, en el cas de condicions hidrodinàmiques de flux. Una vegada fabricades i caracteritzades les nanoestructures de diòxid de titani, es van utilitzar com fotocatalizadors per a dur a terme la degradació del taronja de metil mitjançant la tècnica de fotoelectrocatálisis. Aquests assajos van consistir a submergir la nanoestructura en una dissolució de taronja de metil i aplicar sobre la mateixa un feix de llum i un potencial constants durant vuit hores. Per a determinar l'eficàcia de la degradació, es va mesurar cada dues hores l'absorbància de la dissolució amb ajuda d'un espectrofotòmetre, la qual cosa permetia conèixer la concentració romanent de taronja de metil utilitzant la recta de calibrat obtinguda prèviament. Amb totes les nanoestructures es va observar la disminució de concentració del contaminant, sent major la degradació amb els nanotubus obtinguts a Reynolds 0, encara que molt pròxima a l'aconseguida amb les nanoesponjes obtingudes a Reynolds 600. Finalment, també es van realitzar assatjos de conversió del fotó incident-electró generat (IPCE) per a determinar l'eficiència energètica de les nanoestructuras obtingudes quan se li aplica un espectre de llum. En aquest cas són les nanoesponjes obtingudes sota condicions hidrodinàmiques de flux les que presenten una major eficiència energètica.

[EN] This Final Degree Work has been made for the evaluation of the photocatalytic efficiency of nanostructures of titanium dioxide with a high surface area in order to remove organic pollutant agents in a liquid effluent. For that, first of all, titanium dioxide nanostructures has been made by electrochemical anodization at different hydrodynamic conditions (Reynolds 0,200,400,600). Being the titanium dioxide a semiconductor, the nanostructures are subjected to a controlled heat treatment, obtaining from it one anatase crystallized structure, which has the property of giving to the titanium dioxide more conductivity. The anatase structure can be proved in the microscope Raman Confocal. Additionally the nanostructures has been observed in the Field Emission electronic microscopy (FE-SEM), in which it is possible to characterize the obtained structure: nanotubes if Reynolds are 0, and nanosponges under hydrodynamic conditions. Once characterized and made the titanium dioxide nanostructures, they were used as photocatalysts in order to degrade the methyl orange by photoelectrocatalysis. This test consisted of immersing the nanostructure in a methyl orange solution and apply a potential and light beam constants for 8 hours. For determine the efficiency of degradation, the absorbance of the dissolution has been measured every 2 hours, with a spectrophotometer, which is made for measuring the remaining concentration of methyl orange using the calibration curve obtained previously. With all the nanostructures, the decrease of the concentration of the pollutant agent was observed, being higher the degradation in the nanotubes obtained at Reynolds 0, although very close to that achieved with nanosponges obtained at Reynolds 600. Finally, Incident Photon to Current Efficiency test has been made to determine the energetic efficiency. In that case, the nanosponges obtained under hydrodynamic conditions presented the higher efficiency.