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Fotocatalizadores semiconductores basados en nanoestructuras híbridas de óxidos metálicos

En los últimos años, el entorno natural se ha visto dramáticamente afectado por los desarrollos industriales. Los contaminantes orgánicos, como el principal tipo de contaminantes ambientales, han causado en gran medida la contaminación de diferentes fuentes de agua. Con el fin de hacer frente a los contaminantes y desinfectar las aguas, se han llevado a cabo numerosos estudios fundamentados en rutas eficaces y baratas basadas en nanopartículas inorgánicas empleando la técnica de fotocatálisis. Para esta técnica se vienen utilizando, entre otros, semiconductores como el óxido de titanio (TiO2) y el óxido de zinc (ZnO). Este último genera gran interés científico debido a sus extraordinarias propiedades (ópticas, eléctricas, mecánicas, etc.), baja toxicidad, elevada disponibilidad en la naturaleza y a su bajo coste, se presenta como un adecuado sustituto frente al primero. Además, el ZnO es un material semiconductor, tipo “n”, con demostradas propiedades fotocatalíticas.

El problema que presentan estos fotocatalizadores es que no se pueden recuperar. Por ello, un tema de investigación muy interesante en el campo de la fotocatálisis es el desarrollo de manera efectiva de fotocatalizadores reutilizables magnéticamente. En este contexto, un desafío restante consiste en recuperar de forma sencilla y rentable los fotocatalizadores de la disolución. Convencionalmente, mediante centrifugación o filtración, las partículas suspendidas se separan de la suspensión después de la reacción. Sin embargo, esto implica un procedimiento muy costoso y, por tanto, el coste de la aplicación industrial aumenta.

Figura 1. Micrografía realizada por TEM de la nanoestructura híbrida γ-Fe2O3-ZnO.

Figura 1. Micrografía realizada por TEM de la nanoestructura híbrida γ-Fe2O3-ZnO.

Una estrategia conveniente para la eliminación rápida y eficiente de los fotocatalizadores de un gran volumen de agua residual es aplicar un imán externo. La separación magnética previene la pérdida de fotocatalizadores y, por lo tanto, aumenta la posible reutilización fotocatalítica. Entre los materiales más apropiados están los óxidos de hierro, especialmente la maghemita (γ-Fe2O3) y magnetita (Fe3O4). Estos componentes magnéticos, no solo mejoran la recuperación separación de los fotocatalízadores, sino que además pueden proporcionar alguna mejora sinérgica de la actividad fotocatalítica de los mismos.

La línea central de investigación desarrollada entre la Universidad Carlos III de Madrid e IMDEA Nanociencia se centra en la síntesis y caracterización de nanoestructuras híbridas de óxidos de hierro con óxidos de zinc mediante co-precipitación, descomposición térmica y método solvotérmico. El procedimiento de síntesis sugerido es sencillo, eficaz en el tiempo y alivia la necesidad del uso de operaciones complejas. Además, la síntesis de las nanoestructuras de óxido metálico se puede llevar a cabo a temperatura ambiente, mientras que los tensioactivos que rodean a las partículas en la solución pueden ser fácilmente eliminados. Por lo tanto, desde la perspectiva de la energía y el tiempo, la estrategia sugerida puede proporcionar un procedimiento eficiente. Además, dicha ruta de preparación se puede utilizar para la formación de las nanopartículas catalíticas muy finas, que son altamente eficientes para aplicaciones fotocatalíticas. En la Figura 1 puede verse una micrografía en TEM del sistema híbrido γ-Fe2O3-ZnO.

Como es conocido, diferentes colorantes sintéticos e industriales provocan problemas ambientales graves debido a su toxicidad, estabilidad y alta resistencia frente a la degradación aeróbica. En este contexto, el colorante orgánico azul de metileno catiónico se considera como una forma de contaminante en disoluciones acuosas. Por ello, empleando las nanoestructuras híbridas de γ-Fe2O3-ZnO bajo irradiación de luz UV-vis se evalúa la degradación fotocatalítica de dicho contaminante. Además, una revisión de la literatura muestra que, para conseguir una degradación del contaminante más eficaz, se requiere no sólo un diseño del compuesto semiconductor acoplado sobre las estructuras de banda de sus componentes; sino también otros parámetros diferentes tales como la cristalinidad, el tamaño de partícula, la distribución y el contenido de carga de los componentes activos. También se ha estudiado la posibilidad de reutilizar los sistemas híbridos γ-Fe2O3-ZnO, separándolos del medio magnéticamente para, a continuación, volver a emplearlos como fotocatalizadores hasta tres veces consecutivas en reacciones independientes.

Figura 2. A la izquierda, la gráfica de la disminución de la absorbancia con el tiempo y a la derecha las alícuotas donde se puede observar esa degradación de color desde azul a incoloro.

Figura 2. A la izquierda, la gráfica de la disminución de la absorbancia con el tiempo y a la derecha las alícuotas donde se puede observar esa degradación de color desde azul a incoloro.

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