Estudio fotoelectroquímico de nanopartículas de TiO2 decoradas con Au en la oxidación de ácidos orgánicos

Abstract

RESUMEN: En este estudio, se sintetizaron nanopartículas de TiO2 a diferentes temperaturas de crecimiento hidrotermal. El material con mejor desempeño fotoelectroquímico al ser irradiado con luz ultravioleta fue decorado electroquímicamente con nanopartículas metálicas de Au. La cantidad de metal noble sobre la superficie del semiconductor fue controlada variando el tiempo de electrodepósito e imponiendo un potencial de 0.19 V vs. Ag/AgCl. Estas nanopartículas fueron evaluadas en la oxidación electroquímica asistida por luz de los ácidos fórmico, oxálico y maleico en medio alcalino. Los materiales sintetizados fueron caracterizados mediante Microscopia Electrónica de Barrido (SEM), Difracción de Rayos-X (XRD), Microscopia Electrónica de Transmisión (TEM), Espectroscopia de Fotoelectrones emitida por rayos-X (XPS), Espectroscopia Ultravioleta-Visible (UV-vis) y técnicas electroquímicas tales como voltametría de barrido lineal, voltametría cíclica y cronoamperometría. Los patrones de difracción mostraron una mezcla de fases anatasa-rutilo en todas las temperaturas de síntesis propuestas para el TiO2. La temperatura óptima de síntesis se eligió a partir del mejor desempeño fotoelectroquímico al irradiar los materiales con luz UV-365 nm. Con SEM y XRD se determinó a esa temperatura un tamaño de partícula y de cristalita promedio de 11 ± 0.6 nm. No fue posible observar la dispersión de las nanopartículas metálicas después del decorado electroquímico, sin embargo, técnicas como TEM, XPS, UV-Vis describen la influencia del Au en la conducta del TiO2. La evaluación electroquímica demostró también que la presencia de las nanopartículas de Au, incrementa la actividad fotoelectroquímica. El material más eficiente y con buen desempeño para oxidar los ácidos carboxílicos fue el electrodepósito de nanopartículas de Au durante 0.05 s, obteniéndose fotocorrientes de saturación de 345 ± 3, 300 ± 2 y 76 ± 2 µAcm-2 bajo radiación UV-365 nm y de 25 ± 1, 15 ± 1 y 3.5 ± 0.5 µAcm-2 bajo radiación de luz visible (72 W) para la oxidación del ácido fórmico, óxalico y maleico, respectivamente. ABSTRACT: In this study, TiO2 nanoparticles were synthesized with different temperatures by hydrothermal synthesis. The material with the best photoelectrochemical performance with ultraviolet light was decorated with Au metallic nanoparticles. The amount of the noble metal on the semiconductor surface was controlled by means of the deposition time and applied a potential of 0.19 V vs. Ag/AgCl. These nanoparticles were used in the photoelectrochemical oxidation of formic, oxalic and maleic acids in alkaline medium. The synthesized materials were characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), X-Ray Diffraction (XRD), Transmission Electron Microscopy (TEM), Photoelectron Spectroscopy induced by X-Rays (XPS), UV-vis spectroscopy (UV-Vis) and electrochemical techniques such as linear voltammetry, cyclic voltammetry, and chronoamperometry. The diffraction patterns showed a mixtures anatase-rutile phases in all synthesis temperatures proposed to TiO2. The optimize synthesis temperature was choosing from the best photoelectrochemical performance by irradiated material with UV-light 365 nm. At this temperature with SEM and TEM were determinate an average particle and crystallite size 11 ± 0.6 nm. It was not possible to observe the dispersion of the metal nanoparticles after electrochemical decorated; however, techniques such as TEM, XPS, UV-Vis describe the influence of Au in combination with TiO2. Also, the electrochemical evaluation showed that the presence of Au nanoparticles increases the photoelectrochemical activity. The most efficient material with excellent performance to oxidize carboxylic acids was the electrodeposition of Au nanoparticles during 0.05 s, obtaining saturation photocurrents of 345 ± 3, 300 ± 2 y 76 ± 2 µAcm-2 under UV radiation 365 nm and de 25 ± 1, 15 ± 1 y 3.5 ± 0.5 µAcm-2 under visible light radiation 72 W, for the oxidation of formic, oxalic and maleic acids, respectively.