Síntesis y caracterización de catalizadores AuCu/TiO2 para la degradación de rodamina B con luz visible

Abstract

RESUMEN: En el presente trabajo, se llevó a cabo la síntesis y caracterización de catalizadores Au, Cu y AuCu sobre TiO2 Degussa P25. Dichos catalizadores se prepararon por el método de fotodeposición para obtener partículas metálicas sin requerir tratamiento térmico. Se emplearon diversas técnicas de caracterización (Reflectancia difusa UV-Vis, Difracción de Rayos-X, Reducción y oxidación a temperatura programada, Microscopía Electrónica de Barrido, Espectroscopía de foto electrones emitidos por Rayos-X y Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución) para describir las propiedades de los materiales. Para la evaluación de la actividad fotocatalítica se utilizó la degradación de Rodamina B como reacción modelo y el TiO2 fue el material de referencia. Se encontró que el método de fotodeposición es efectivo para cargar bajas concentraciones de metal sobre el TiO2, comparable con un método de preparación convencional como la impregnación. Tanto el pH como el medio de reacción fueron las variables más importantes para incrementar la cantidad de metal depositado. La composición superficial obtenida mediante XPS mostró la presencia de CuO, y Au en los catalizadores monometálicos, mientras que en los bimetálicos se observó la presencia de Cu, CuO, Au y trazas de aleaciones AuCu. En todos los fotocatalizadores se detectó un cambio en la zona de absorción de luz hacia el visible en comparación con el TiO2 que absorbe en la región ultravioleta. Los estudios de SEM y HRTEM indicaron una distribución homogénea de los metales y óxidos soportados con tamaños de partícula del orden de 20 nm para CuO, para el Au de 10 nm y en los catalizadores bimetálicos se encontraron nanopartículas de Cu (15-20 nm) decoradas con nanopartículas de Au (2-5 nm), en el catalizador sintetizado por fotodeposiciones sucesivas (Cu-Au). Los resultados de actividad fotocatalítica empleando luz visible tuvieron el siguiente orden de actividad: Au (fotodepósito)> Au (impregnación)> AuCu> TiO2> Cu> fotólisis. Se observó una correlación entre el método de preparación y la actividad fotocatalítica, es decir, al incrementar el pH de síntesis se incrementa la actividad, lo cual está relacionado con la cantidad de especies metálicas en la superficie del catalizador. El efecto del orden de adición de los metales (Au-Cu) jugó un papel importante en el desempeño fotocatalítico: el sólido obtenido mediante el depósito de Cu y posteriormente el de Au resultó con las mejores propiedades. Estos resultados demuestran que con bajas cantidades de Au (0.3%w) es posible degradar hasta 95% del contaminante en una hora. ABSTRACT: In this work, the synthesis and characterization of catalysts Au, Cu and AuCu on TiO2 Degussa P25 was carried out. The catalysts were prepared by photodeposition method in order to obtain metal particles without thermal treatment. Several characterization techniques (UV-Vis Diffuse Reflectance, X-Ray Diffraction, Temperature- Programmed Oxidation and Reduction, Scanning Electron Microscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy and High Resolution Transmission Electron Microscopy) were used to describe materials properties. The evaluation of the photocatalytic activity was tested in the degradation of Rhodamine B as a model reaction, using TiO2 as a reference. Photodeposition was found as an effective method to load low metal concentrations on the TiO2, being as effective as a conventional preparation method as impregnation. The solvent and pH of the reaction were the most important variables to increase the amount of metal loaded. The surface composition was obtained by XPS and showed the presence of CuO and Au in monometallic catalysts, meanwhile Cu, CuO, Au and traces of AuCu alloys were observed. A change in the absorption zone into the visible light was noticed in all the photocatalysts, compared to TiO2 which only absorbs in the ultraviolet region. SEM and HRTEM indicate a homogenous distribution of metal and oxide supported particles. Particle size was around 20 nm for CuO, 10 nm for Au and bimetallic catalyst synthesized with successive photodepositions (Cu-Au) had Cu nanoparticles between 15-20 nm decorated with Au nanoparticles around 2-5 nm. The results of photocatalytic activity using visible light presented the next order of activity: Au (photodeposition)> Au (impregnation)> AuCu> TiO2> Cu> photolysis. A correlation between the preparation method and photocatalytic activity was observed, therefore, increasing the pH in synthesis also increases activity, due to the amount of metal species on the catalyst surface. The addition order of metal (Au-Cu) developed an important role in photocatalytic performance: the solid obtained by deposition of Cu and later Au was the one with best properties. Those results indicate that low amounts of Au (0.3% w) degrade 95% of the contaminant already in one hour.