Síntesis, caracterización y evaluación de oxicloruro de bismuto (BiOCl) en fotocatálisis heterogénea

Abstract

"El oxicloruro de bismuto (BiOCl) es un semiconductor relativamente nuevo en el ámbito de la fotocatálisis heterogénea, se ha utilizado en el tratamiento de aguas para la remoción de colorantes y algunos compuestos más complejos. El interés del BiOCl, como fotocatalizador, se debe a su estructura compuesta de átomos de bismuto unidos por enlaces covalentes con átomos de oxígeno (Bi2O2) que interaccionan mediante fuerzas de Van der Waals con átomos de cloro (Cl), las cuales permiten una mejor separación de los pares electrón-hueco (e-/h+), fotogenerados durante su excitación, y así llevar a cabo la degradación de los contaminantes. En el presente trabajo se evaluó la actividad fotocatalítica de diferentes muestras de BiOCl; una muestra comercial (2600) y tres muestras sintetizadas en el laboratorio (BTEG, BPEG200 y BPEG400). La evaluación se realizó con la degradación de tres contaminantes (Fenol, Bisfenol A y Azul de Metileno) utilizando irradiación UV, además de llevar a cabo la fotoconversión de CO2. La síntesis de las muestras se realizó utilizando tres diferentes polioles como solventes (TEG, PEG200 y PEG400). Además, una de las muestras sintetizadas (BTEG) se modificó con plata (Ag) y óxido de zinc (ZnO); mientras que para el BiOCl comercial (P2600) las modificaciones se realizaron con Ag y dióxido de titanio (TiO2). Los métodos utilizados para la modificación fueron distintos con cada una de las muestras, lo cual aportó cambios estructurales en las mismas que ayudaron a mejorar la actividad fotocatalítica, tal fue el caso de las muestras de P2600-TiO2 que presentaron una remoción mayor del 60% de BPA. En estas muestras se observó que la unión entre ambos fotocatalizadores promovió una disminución en la banda prohibida y por lo tanto una mejor separación de los pares e-/h+. Las muestras de P2600-Ag, mejoraron la actividad fotocatalítica en comparación con el P2600 puro, pero el incrementar la dosis de Ag produjo una disminución de la actividad fotocatalítica. Para dichas muestras una alta concentración de Ag produce mayor recombinación de los pares e-/h+ que, en este caso afecta negativamente la degradación del BPA. En cambio, para BTEG, las modificaciones realizadas mejoran la actividad fotocatalítica, pero, dicho incremento no rebasa el 50% de degradación de fenol en 180 min de reacción, siendo BTEG-5Ag quien presentó una remoción de 42% de fenol. Para dichas muestras la modificación con Ag mejora la actividad fotocatalítica, aunque un incremento mayor a 5% hace que la actividad disminuya, posiblemente por el aumento en la recombinación de los pares e-/h+. Para el caso del azul de metileno, se observó que BTEG es un excelente material adsorbente debido a su alta área superficial. Mientras que P2600 presentó una actividad fotocatalítica baja; obteniendo una remoción del 32% con irradiación UV y un 22% con irradiación visible. Referente a la fotoconversión de CO2 se realizó el proceso en dos sistemas fotocatalíticos; en fase líquida y en fase gaseosa, obteniendo resultados favorables en el último sistema, donde se obtuvo una alta fotoconversión de CO2 utilizando el BiOCl sintetizado (BTEG) en comparación con el BiOCl comercial (P2600). Los principales productos generados e identificados fueron metano (CH4), metanol (CH3OH) y etanol (C2H5OH)."

"Bismuth oxychloride (BiOCl) is a relatively new photocatalyst in the field of heterogeneous photocatalysis. It has been used for water treatment for the removal of dyes and some more complex compounds. The interest on BiOCl, as a photocatalyst, is due to its tetragonal structure, composed of bismuth atoms linked by covalent bonds with oxygen atoms [Bi2O2] that interact through Van der Waals forces with chlorine [Cl] atoms, which allow a higher separation of the electron-hole pairs (e- / h+) photogenerated during their excitation and thus achieve the degradation of pollutants. In the present work, the photocatalytic activity of BiOCl samples was evaluated using a commercial sample (2600) and three samples synthesized in the laboratory (BTEG, BPEG200 and BPEG400). The evaluation was carried out with three different pollutants (Phenol, Bisphenol A and Methylene Blue) using UV irradiation. In addition, the photo conversion of CO2 was carrying out. The samples’ synthesis was carried out using three different polyols as solvents (TEG, PEG200 and PEG400). Furthermore, one of the synthesized samples (BTEG) was modified with silver (Ag) and zinc oxide (ZnO); while the commercial BiOCl (P2600) was modified with Ag and titanium dioxide (TiO2). The modification contributed to structural changes in BiOCl that helped to improve its photocatalytic activity, such was the case of the P2600-TiO2 samples that presented a removal greater than 60% of BPA. In these samples, it was observed that the union between both photocatalysts promoted a decrease in the band gap and therefore a higher separation of the e- / h+ pairs. The photocatalytic activity of P2600-Ag samples was improved compared to pure P2600, but further content of Ag (> 0.5%) produced a decrease in photocatalytic activity. For these samples, a high concentration of Ag produces a recombination of the e- / h+ pairs that, in this case, negatively affects the degradation of BPA. On the other hand, for BTEG, the modifications improve its photocatalytic activity, but said increase does not exceed 50% of phenol degradation in 180 min of reaction, being BTEG-5Ag who presented a removal of 42% of phenol. For these samples, the modification with Ag improves the photocatalytic activity, but likewise an increase greater than 5% causes the activity to decrease, possibly due to an increase in the recombination of the e- / h+ pairs. For the case of methylene blue, it was observed that BTEG is an excellent adsorbent material due to its high surface area and dye compatibility. While P2600 presented a low photocatalytic activity; obtaining a removal of just 32% with UV irradiation and 22% with visible irradiation. Regarding the photoconversion of CO2, the process was carried out in two photocatalytic systems; in liquid phase and in gas phase, obtaining favorable results in the last system, where a high photoconversion of CO2 was obtained using the synthesized BiOCl (BTEG) in comparison with the commercial BiOCl (P2600). The main products generated and identified were methane (CH4), methanol (CH3OH) and ethanol (C2H5OH)."