Estudio de la actividad fotocatalítica de nano-fotocatalizadores de óxidos de galio dopados con cobre, bajo iluminación UVB

Abstract

The objective of this research is to study the photocatalytic activity of gallium oxide nano-photocatalysts doped with copper. To carry out this study, the copper-doped gallium oxide materials were synthesized using two different precursors: copper nitrate and copper sulfate. The synthesis method of the materials was through a simple precipitation using NH4OH assisted with an ultrasonic transducer. The obtained catalysts were characterized through different techniques: thermogravimetric analysis, Fourier transform infrared spectroscopy and X-ray diffraction, which provided important information about their structure, phases, functional groups, among other characteristics. The experiments corresponding to the photocatalytic degradation were carried out in a hydrodynamic continuous stirred tank reactor, using a UVB lamp as a source of illumination and acetaminophen as a model pollutant. In addition, the photocatalytic degradation of acetaminophen was evaluated using the synthesized gallium oxide catalysts with and without copper, at three different pH values (10, 7 and 5), which led to the proposal of a suitable kinetic model. The results indicate that there is a significant difference regarding the use of gallium oxide catalysts that contain copper and those that lack said doping, in addition, the pH value also influences the degradation of acetaminophen, showing complete degradation when using more acidic pH values. Thus, preliminary results are presented that may lead to a viable technology for the detoxification of contaminated water.

La presente investigación tiene como objetivo estudiar la actividad fotocatalítica de nano-fotocatalizadores de óxidos de galio dopados con cobre. Para llevar a cabo dicho estudio, los materiales de óxidos de galio dopados con cobre se sintetizaron empleando dos precursores diferentes: nitrato y sulfato de cobre. El método de síntesis de los materiales fue a través del método de precipitación simple con NH4OH asistido con transductor ultrasónico. Los catalizadores obtenidos se caracterizaron a través de diferentes técnicas: análisis termogravimétrico, espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier y difracción de rayos X, las cuales proporcionaron información importante acerca de su estructura, fases, grupos funcionales, entre otras características. El estudio de la actividad fotocatalítica se desarrolló, a nivel laboratorio, en un reactor fotocatalítico con operación hidrodinámica tipo batch de mezclado perfecto, utilizando como fuente de iluminación una lámpara UVB y como contaminante modelo el acetaminofén. La degradación fotocatalítica del acetaminofén se evaluó utilizando los catalizadores sintetizados de óxidos de galio con y sin cobre, a tres valores distintos de pH (10, 7 y 5). Los resultados de degradación fueron ajustados a un modelo cinético de pseudo orden cero y primer orden. Los resultados obtenidos en el presente trabajo indican que existe una diferencia significativa con respecto al uso de los catalizadores de óxido de galio que contienen cobre y los que carecen de dicho dopaje. Además, el valor de pH también influye en la degradación del acetaminofén, mostrando una degradación completa al emplear valores de pH más ácidos. Estos resultados preliminares mostraron que los fotocatalizadores de óxidos de galio dopados con iones de cobre son eficaces en la degradación del acetoaminofén. Por lo que, esta tecnología es viable para la degradación de contaminantes emergentes presentes en agua.