Titania mesoporosa dopada con W, Mo Y W-Mo: síntesis, caracterización y actividad fotocatalítica

Abstract

Synthesis of mesostructured materials of TiO2 doped with W, Mo and W-Mo by Evaporation Induced Self Assembly (EISA) method represents a promising and attractive route for the design of metal oxides with unique structural, morphological and photocatalytic properties. In particular, the EISA method allows obtaining TiO2 with surface areas greater than the commercial photocatalyst Degussa P25. In this work, mesoporous titania doped and codoped with different weight percentages of tungsten and molybdenum was synthesized. Subsequently, the physicochemical properties of the materials were evaluated by using XRD, BET, DRS, Raman, TEM, SEM and XPS techniques. The catalysts exhibited anatase crystalline phase with average crystal sizes of 6.1 to 8.6 nm and specific surface areas of about 179 m2/g (mono-doped TiO2) and 191 m2/g (co-doped TiO2), as well as average pore diameters in a range of 4.6 to 6.6 nm. The samples presented irregular shape particles of 20 to 80 ?m and exposed planes corresponding to the anatase phase, according to the electron micrographs. The dopant cations exhibited oxidation states with valence 5+ and 6+ in the titania. All synthesized materials exhibited better photocatalytic activity in the oxidation of 4-chlorophenol than commercial TiO2 P25. The obtained results show that with low concentration by mono-doped, the 4-chlorophenol degradation is improved, which can be attributed to an increase in the lifetime of the photogenerated charges, because the doping cations can easily trap the electrons decreasing the recombination rate. A synergistic effect of the titania co-doped with both cations was observed, which improved the photocatalytic activity. Doped photocatalysts degraded 95% of 4-chlorophenol, three times faster than Degussa P25 and 69% reduction of total organic carbon (TOC) content was achieved by W-TiO2 with 1 wt.%. Titania co-doped with 1 wt.% of both cations degraded more than 97% and mineralized more than 74%. The oxidation route of 4-chlorophenol was favored towards quinones as main intermediates.

La síntesis de materiales mesoestructurados de TiO2 dopados con W, Mo y W-Mo mediante el método EISA (por sus siglas en inglés Evaporation Induced Self Assembly) representa una ruta prometedora y atractiva para el diseño de óxidos de metales de transición con propiedades estructurales, morfológicas y fotocatalíticas únicas. En particular, el método EISA permite obtener titania con áreas superficiales superiores al fotocatalizador comercial Degussa P25 mediante el uso de surfactantes. Con base en lo anterior, en el presente proyecto se evaluó la síntesis de titania mesoporosa dopada y codopada con distintos porcentajes en peso de tungsteno y molibdeno. Posteriormente, se evaluaron las propiedades fisicoquímicas de los materiales mediante técnicas de caracterización como XRD, BET, DRS, Raman, TEM, SEM y XPS. Los materiales sintetizados exhibieron solo fase cristalina anatasa con tamaños de cristal promedio de 6.1 a 8.6 nm y áreas superficiales específicas de hasta 179 m2/g (titania monodopada) y 191 m2/g (titania codopada), así como diámetros promedio de poro en un rango de 4.6 a 6.6 nm. Las muestras presentaron partículas con formas irregulares de 20 a 80 ?m y planos expuestos correspondientes a la fase cristalina anatasa, de acuerdo a las micrografías electrónicas. Además, los cationes dopantes exhibieron estados de oxidación con valencias +5 y +6. Todas las muestras sintetizadas presentaron mayor porcentaje de degradación fotocatalítica del 4-clorofenol (4CF) que Degussa P25 sin requerir suministro de oxígeno. Los resultados obtenidos muestran que con baja concentración por monodopado, se beneficia la degradación del 4-clorofenol, lo cual puede ser atribuido a un incremento en el tiempo de vida de las cargas fotogeneradas, debido a que los cationes dopantes pueden fácilmente atrapar los electrones disminuyendo la velocidad de recombinación. Fue observado un efecto sinérgico de la titania codopada con ambos cationes, lo cual mejoró la actividad fotocatalítica.