Synthesis, characterization and photocatalytic performance of zinc oxide structured nanocomposites for the treatment of endocrine disrupting compounds in water

Abstract

"El ZnO es un material no tóxico de bajo costo con un interesante potencial fotocatalítico en la degradación de contaminantes en medio acuoso. Sin embargo, su aplicación se encuentra limitada por su baja eficiencia, fotocorrosión y el costo energético de su recuperación. Este trabajo tiene como objetivo incrementar la actividad fotocatalítica en la degradación de compuestos disruptores endócrinos a través de la funcionalización de ZnO con nanopartículas de plata. Además el desarrollo de un método para la inmovilización del fotocatalizador modificado, Ag/ZnO, en una matriz polimérica proyectando su uso en sistemas de tratamiento continuo de agua. Los resultados demuestran que el método de fotodeposición promueve la distribución homogénea de nanopartículas de plata. El incremento en los parámetros de red indican la inserción de iones Ag+ en la estructura cristalina del ZnO dando lugar a una fuerte interacción química entre las nanopartículas de plata y ZnO. Adicionalmente, la presencia de grupos hidroxilo, OH-, y el incremento en la absorción de luz visible promovió la degradación fotocatalítica bisfenol A, triclosan y rodamina B de manera más eficiente. Los resultados de degradación del bisfenol A a 302 nm por el fotocatalizador Ag/ZnO muestran una constante de velocidad aparente (kapp) 3.7 veces mayor al valor obtenido por ZnO: kapp =0.01929 min-1 m-2. Además, la degradación de bisfenol A (25%, 3h), triclosan (35%, 2h) y rodamina B (95%, 2h) en condiciones de luz visible se traduce en el potencial del catalizador de ser activado con luz solar. Por otra parte, las nanopartículas de fotocatalizador Ag/ZnO fueron inmovilizadas en una matriz de poli(ácido acrílico) entrecruzado. La superficie de las partículas fue previamente modificada por un agente acoplante (GLYMO®) que permitió (i) la dispersión y anclaje por esterificación de las nanopartículas en la matriz poliacrílica en formación y (ii) promover la cristalización y estabilidad térmica del polímero."

"ZnO is a non-toxic catalyst of low cost with interesting photocatalytic potential, particularly for the degradation of water contaminants. However, its application has not been much developed because of its poor efficiency, its photocorrosion and energetic cost of recovery. Therefore, the main objectives of this research was to improve the efficiency of ZnO for the degradation of endocrine disrupting compounds and propose a method for the immobilization of the photocatalyst projecting a continuous water treatment process. The first step consisted in the design of a new photocatalytic system by functionalizing ZnO nanoagglomerates with silver nanoparticles (Ag/ZnO). The results showed that photodeposition method promotes a homogeneous distribution of AgNPs on ZnO surface. Moreover, the increment in lattice parameters suggests the insertion of Ag+ ions into the crystalline structure of ZnO and strong interactions between AgNPs and ZnO. In addition, hydroxyl surface content and the improved absorption under visible light allowed the enhancement in the photodegradation efficiency of bisphenol-A, triclosan and rhodamine-B. The obtained Ag/ZnO photocatalyst showed higher apparent rate constant (kapp) for the degradation of bisphenol-A at 302 nm: kapp=0.01929 min-1 m-2, which is 3.7 times the value for pure ZnO. Degradation of bisphenol-A (25%, 3h), triclosan (35%, 2h) and rhodamine-B (95%, 2h) was successfully carried out under visible light which is an important achievement in case of solar light use. On the other hand, to overcome aggregation problems, Ag/ZnO photocatalyst was immobilized owing to their incorporation in a cross-linked poly(acrylic acid) matrix. The surface of Ag/ZnO was previously modified, using a silane coupling agent: GLYMO® which allowed (i) dispersing and anchoring NPs on the polyacrylic matrix by formation of ester bonds, and (ii) promoting crystallization and thermal stability of the polymer."