Degradación fotocatalítica de lignina empleando películas nanoestructuradas de ZnO obtenidas mediante depósito atómico de capas

Abstract

The purpose of this research was to synthesize nitrogen-doped ZnO thin films capable of acting as photocatalysts in the degradation of organic pollutants. The films show a degradative effect against a complex organic molecule such as lignin, being these used under irradiation of UV light and visible light. The ZnO films were generated by the atomic layer deposition (ALD) technique employing diethylzinc and water as precursors. Silicon or glass, were used as substrates for the deposit. In a further stage, the nanostructures were grown through a hydrothermal synthesis assisted by microwave heating. The growth was carried out using zinc acetate or zinc nitrate as zinc precursor sources of zinc ions; while hexamethylenetetramine was used to promote the epitaxial growth of the nanostructures. Finally, the films were nitrogen doped through a nitrogen plasma discharge, built up for that purpose. The physicochemical properties of the films were analyzed using different characterization techniques such as scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD), Photoluminescence spectroscopy (PL), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Raman spectroscopy, and UV-Vis spectroscopy. The degradation studies result show that the ZnO films exhibit a degradative effect on the lignin molecule using either UV light or visible light. Nitrogen doping improved the photocatalytic performance of ZnO films. The films grown on silicon showed higher degradation percentage values compared to those films which were grown on glass substrates.

El presente trabajo de investigación tuvo como finalidad sintetizar películas delgadas de ZnO impurificadas con nitrógeno capaces de actuar como fotocatalizadores en la degradación de contaminantes orgánicos. Las películas presentan un efecto degradativo frente a una molécula orgánica compleja como lo es la lignina, siendo estas utilizadas bajo irradiación de luz UV y luz visible. Las películas de ZnO se generaron mediante la técnica de depósito atómico de capas (ALD) empleando como precursores dietilzinc y agua. Para llevar a cabo el depósito de las películas de ZnO, se emplearon como sustratos silicio (100) o vidrio. Posteriormente, se procedió al crecimiento de nanoestructuras mediante una síntesis hidrotérmica asistida por calentamiento empleando un sistema de microondas. El crecimiento se realizó utilizando acetato de zinc o nitrato de zinc como fuentes precursoras de iones zinc; mientras la hexametiltetramina se empleó para promover el crecimiento epitaxial de las nanoestructuras. Finalmente, las películas fueron impurificadas con nitrógeno mediante una descarga de plasma de nitrógeno, la cual fue construida para tal propósito. Las propiedades fisicoquímicas de las películas fueron analizadas mediante diferentes técnicas de caracterización como microscopía electrónica de barrido (MEB), espectroscopía dispersiva de energía (EDS), difracción de rayos X (DRX), espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), espectroscopía por fotoluminiscencia (PL), espectroscopía Raman y espectroscopía UV-Vis. Los resultados de degradación fotocatalítica demuestran que las películas de ZnO exhiben un evidente efecto de rompimiento de las moléculas de lignina al emplear luz UV o luz visible. La impurificación con nitrógeno mejoró el comportamiento fotocatalítico de las películas. Se observó que las películas crecidas sobre silicio presentaron un porcentaje mayor de degradación frente a las películas crecidas sobre vidrio.