APLICACIONES FOTOCATALÍTICAS DE PELÍCULAS

DELGADAS DE GO / TiO2 OBTENIDAS POR SOL-GEL

IV SIMPOSIO EN CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALESCentro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías

Universidad de Guadalajara

Velasco-Hernández Arturo, Mayén-Hernández Sandra AndreaUniversidad Autónoma de Querétaro, Facultad de Química

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

D' band

2327 cm-1

830 cm-1

1360 cm-1

D band

1364 cm-1

D band

1589 cm-1

G band

2745 cm-1

2D band

Ram

an I

nte

nsi

ty (

a. u

.)

Raman shift (cm-1)

graphene oxide

graphite

1577 cm-1

G band

Resumen: Se prepararon películas delgadas de óxido de grafeno / dióxido de titanio (GO/TiO2) sobre sustratos de vidrio mediante sol-gel utilizando la técnica de

recubrimiento por inmersión – remoción para aplicaciones fotocatalíticas. Los polvos de óxido de grafeno se fabricaron mediante el método Hummers, modificado,

y se caracterizó por espectroscopia XRD, TEM, Raman y UV-VIS. Las películas delgadas de OG/TiO2 se caracterizaron mediante espectroscopia XRD, SEM,

EDX, Raman y UV-VIS para evaluar sus propiedades estructurales, morfológicas y ópticas. El ancho de banda prohibida estimado para las películas delgadas está

en el rango de 3.39 - 3.45 eV después de un tratamiento térmico de sinterizado a 450 °C. Se demostró adicionalmente que los valores de transmitancia e intensidad

Raman en las películas delgadas disminuyen significativamente al aumentar la cantidad de GO. El rendimiento fotocatalítico de las películas delgadas de GO/TiO2

se investigó mediante el fotoblanqueado de azul de metileno; se observó un eficiente incremento en su rendimiento fotocatalítico utilizando 1% en peso de OG.

Adicionalmente, las películas mostraron potencial aplicación en la fotorreducción de CO2; se observó una producción de metanol de 1.09 µmolh-1cm-2 después de 5

horas de reacción en presencia de luz UV.

3.00 3.25 3.50 3.75 4.000

2

4

6

8

10

12 TiO

2 pure (3.45 eV)

1% w. OG/TiO2 (3.43 eV)

3% w. OG/TiO2 (3.43 eV)

5% w. OG/TiO2 (3.41 eV)

10% w. OG/TiO2 (3.39 eV)

(h

)1

/2 x

10

3 (

m-1

eV)1

/2

h (eV)

Óxido de grafeno obtenido mediante modificación del método de Hummers

Películas delgadas de óxido de grafeno / dióxido de titanio (GO / TiO2)

METODOLOGÍA Síntesis de óxido de grafeno mediante el método de Hummers, modificado

CONCLUSIONESSe desarrollaron películas delgadas de dióxido de titanio fotocatalítico modificadas

con óxido de grafeno mediante una ruta sol-gel. Debido a que los materiales a base de

grafeno tienen una absorbancia en la región UV-Vis, pueden usarse, junto con

semiconductores, en tecnologías fotocatalíticas como la reducción de CO2 a

compuestos orgánicos como el metanol. En películas delgadas de dióxido de titanio

modificado con óxido de grafeno, se observó un aumento en la producción de metanol

a través de la fotorreducción de CO2, alcanzando una tasa de producción de 12,68

μmolh-1cm-2 después de 5 horas de reacción en presencia de luz UV.

INTRODUCCIÓNEl dióxido de titanio es un candidato prometedor para aplicaciones de conversión de

energía solar, como la fotovoltaica y fotocatalítica. Los fotocatalizadores típicos a

menudo son modificados para mejorar su actividad fotocatalítica solar. El TiO2 es un

fotocatalizador eficaz bajo irradiación UV, sin embargo, debido a su gran ancho de

banda prohibida sus aplicaciones bajo luz visible o solar se ven limitadas; los

compuestos de GO / TiO2 pueden tener actividad fotocatalítica bajo la acción luz

visible y aumentar su rendimiento en condiciones solares. El GO está considerado

como uno de los materiales más importantes en el campo de los nanocompuestos

debido a su estructura única, así como a sus propiedades eléctricas, térmicas,

mecánicas y ópticas superiores [1,2].

KMnO4 + 3H2SO4 → K+ + MnO3+ + H3O

+ + 3HSO4-

MnO3+ + MnO4

- → Mn2O7

180 min, DI H2O, H2O2

Síntesis de películas delgadas de GO / TiO2

Lavado, DI H2O

Exfoliación (300 min)

REFERENCIAS[1] Abdelmajid Timoumi et al, Results in Physics 11 (2018) 46–51.

[2] Francesca Macheratti et al, Applied Surface Science 470 (2019) 484–495.

[3] Ulises A. Méndez-Romero et al, Carbon 146 (2019) 491-502.

[3]

Fotocatálisis utilizando las películas delgadas de GO / TiO2

Películas delgadas obtenidas

mediante inmersión remoción,

6 cm min-1

Tratamiento térmico de

sinterizado a 450 °C

Grafito

Óxido de grafito

Óxido de grafeno

RESULTADOS

Isopropóxido de titanio + óxido de

grafeno + etanol + HF

Solución de inicio

AGRADECIMIENTOSConsejo Nacional de Ciencia y Tecnología, CONACYT.

Universidad Autónoma de Querétaro

400 500 600 700 8000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Ab

sorb

ance

(a.

u.)

Wavelenght (nm)

0 h

1 h

2 h

3 h

4 h

5 h

Arreglo fotocatalítico para la

degradación de azul de metileno

Espectros de absorción de azul de

metileno (MB) durante la fotocatálisis

con la película delgada 1% wt. GO / TiO2.

Arreglo fotocatalítico para la

fotoreducción de CO2.

10 20 30 40 50 600

1

2

3

0

1

2

3

4

(100)

(001)

grafito

PDF#00-041-1487Inte

nsi

dad

(u. a.

)

2q (grados)

(002)

(004)

x10000

óxido de grafeno

x100

200 300 400 500 600 700 800

óxido de grafeno

grafito

Ab

sorb

anci

a (u

. a.

)

Longitud de onda (nm)

(p p*) 236 nm

(p p*)

224 nm

(p p*)

250-300 nm (n p*)

100 200 300 400 500 600 700 800

4

8

12

4

8

12

4

8

12

4

8

12

4

8

12

1% w. GO/TiO2

3% w. GO/TiO2

5% w. GO/TiO2

A1g B1gB1g Eg

Eg

Desplazamiento Raman (cm-1)

TiO2 puro

Eg

10% w. GO/TiO2

Eg

Inte

nsi

dad

Ram

an (

u. a.

/ 1

00)

Eg

Eg

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

10

20

30

40

Fre

quen

cy

Particle size (nm)

10% wt. GO/TiO2

20 40 60 80 100 120 140 1600

10

20

30

40

Fre

qu

ency

Particle size (nm)

5% wt. GO/TiO2(a) (b)

(c) (d)

Óxido de grafito

300 400 500 600 700 800 9000

20

40

60

80

100

Tra

nsm

itan

cia

(%)

Longitud de onda (nm)

TiO2

1% wt. GO/TiO2

3% wt. GO/TiO2

5% wt. GO/TiO2

10% wt. GO/TiO2

0 1 2 3 4 50.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

[MB

] N

orm

aliz

ada

Tiempo (horas)

TiO2 pure

1% wt. GO/TiO2

3% wt. GO/TiO2

5% wt. GO/TiO2

10% wt. GO/TiO2

Photolysis

0 1 3 5 100

2

4

6

8

10

12

1412.69

9.34

Pro

du

cció

n d

e m

etan

ol

(mm

ol

h-1

cm

-2 cat)

Óxido de grafeno en la película de TiO2 (% wt.)

7.94

9.06

10.96