Aplicaciones fotocatalíticas de materiales compuestos nitruro de carbono polimerizado/tio2 deficientes en oxígeno y con absorción de luz visible

Abstract

El TiO2 ha sido el fotocatalizador por excelencia debido a su alta estabilidad y actividad fotocatalítica. Sin embargo, una de sus principales deficiencias radica en su incapacidad de absorber luz visible limitando sus aplicaciones solares y su alta tasa de recombinación de portadores de carga fotogenerados. Para superar este inconveniente, se han estudiado diferentes maneras de ampliar su absorción de luz y disminuir su recombinación. Una de las más exploradas en la actualidad, es la preparación de materiales compuestos de TiO2 conteniendo semiconductores de baja energía prohibida (Eg) generando heterouniones tipo II o esquemas S o Z. El nitruro de carbono polimerizado (PCN) es un semiconductor libre de metales preparado a partir de la pirolisis de urea, tiourea o melamina. Este material presenta una Eg de alrededor de 2,7 eV permitiéndole absorber luz visible. Además, presenta un potencial redox de su banda de conducción (BC) muy negativo (E0= 1,3 V vs. ENH) haciendo alta su capacidad reductiva fotoinducida.En este trabajo se prepararon, vía sol-gel, dos materiales de TiO2 conteniendo 30 (T/U30%) y 80% (T/U80%) (p/p) de urea calcinándolos a 450 °C por 1 h. Mediante una estrategia de caracterización multitécnicas utilizando DRS, FTIR, TGA-FTIR, EPR a 77 K y DRX, se pudo evidenciar la presencia de PCN, anatasa TiO2 y absorción de luz visible a longitudes de onda comprendidas entre 400 y 500 nm en los materiales. La concentración de PCN fue determinada mediante TGA en atmosfera de aire alcanzando valores de 1,1 y 0,8% (p/p) para los materiales T/U30% y T/U80%, respectivamente. Mediante EPR a 77 K, se detectaron sitios de Ti3+ debido a la presencia de vacancias de oxígeno generadas durante la síntesis. La actividad fotocatalítica fue evaluada en la conversión reductiva de nitrobenceno (NB) (en atmosfera de nitrógeno) a anilina (A) bajo irradiación LED UVA (365 nm) y azul (420 nm). Se encontró que la conversión de NB a A utilizando TiO2 puro fue del 100% luego de 15 min de irradiación LED UVA. Estos porcentajes cayeron a 67% en los materiales T/U30% y T/U80%. A pesar de que el PCN presentó una muy eficiente reducción de NB, este no produjo anilina, pero si otros subproductos de reducción como nitrosobenceno (NSB), azobenceno (AZ) y azoxibenceno (AZY) tanto bajo luz LED UVA como azul. Por otro lado, los materiales T/U30% y T/U80% mostraron la generación de A en muy bajas concentraciones (detectables, pero no cuantificables) y de NSB y AZ bajo luz LED azul. Los resultados obtenidos permitieron concluir que los materiales compuestos PCN/TiO2 preparados vía sol gel y utilizando urea como precursor de PCN no presentaron una alta actividad fotocatalítica tanto bajo luz UVA como visible, debido a que su superficie presentó una alta deficiencia en oxígeno generando sitios de recombinación electrón-hueco.