COMPOSITOS DE NITRURO DE CARBONO GRAFÉNICOS COMO FOTOCATALIZADORES ACTIVOS EN EL VISIBLE PARA LA DEGRADACIÓN DE CONTAMINANTES EMERGENTES

Resumen

Los procesos fotocatalíticos basados en semiconductores son de potencial aplicación para tratar aguas residuales debido a su bajo costo, y por resultar ambientalmente benignos al no dejar residuos tóxicos luego de su uso.  Los fotocatalizadores libres de metales que operan con luz visible como el nitruro de carbono grafítico (g-CN) resultan de interés debido a su baja toxicidad, estabilidad estructural en solución en un amplio intervalo de pH, estabilidad térmica, bajo la acción de la luz, su abundancia, bajo costo y comportamiento propio de un semiconductor orgánico con una banda de energía prohibida Eg de 2.70 eV. Sin embargo, la optimización de su capacidad fotocatalizadora requiere del ensamble con otros materiales que le otorguen mayor capacidad como adsorbentes de contaminantes y disminuyan la velocidad de recombinación de transportadores de carga fotogenerados. Un buen ejemplo son los nanotubos de carbono (NTC), ya que se utilizan como soportes de fotocatalizadores por tener gran área específica (>150 m2 g-1), propiedades mecánicas excelentes, estructura hueca en forma de capas que le otorgan gran capacidad como adsorbentes de contaminantes orgánicos y metálicos, y por su excelente conductividad eléctrica que permite estabilizar la separación de los transportadores de carga fotogenerados por atrapamiento de los electrones. Aunado al sistema fotocatalizador/NTC, se integra Al₂O₃ mesoporoso empleando métodos químicos en solución con capacidad para dispersar catalizadores y permitir la rápida difusión de reactivos y productos en sus poros. Por ello se tiene la hipótesis que los nitruros de carbono acoplados a NTC y soportados sobre Al₂O₃ poroso constituyen un sistema fotocatalizador óptimo para el tratamiento de aguas residuales.
Basándonos en este sistema propuesto, se comenzó con la síntesis partículas de g-CN, a partir de procesos térmicos con melamina, calentándola en una mufla a 600 ºC durante 2 horas. Se exfolio el material obtenido disolviéndolo en isopropanol, se sonicó por 10 horas y posteriormente se separaron las partículas aglomeradas de las exfoliadas. Se caracterizaron las partículas exfoliadas y sin exfoliar mediante rayos X (XRD) y espectroscopia IR-ATR. La caracterización fotofísica se llevó a cabo por medidas de fotoluminiscencia estacionaria y se determinó la absorción UV-visible mediante medidas de transmitancia. Los resultados de las caracterizaciones XRD y espectroscopia IR-ATR resultaron coincidentes con datos publicados en la bibliografía para nanopartículas de g-CN. Estas nanopartículas muestran emisión en 440 nm al excitarlas con luz de 318 nm. La actividad fotocatalítica se evaluó usando como ensayo la degradación del colorante naranja de metilo. Para ello, se irradiaron durante 210 minutos suspensiones 1x10-5 M de naranja de metilo y el fotocatalizador, con 4 lámparas (Rayonet) con emisión centrada en 350 nm. Como blancos de estos ensayos se usaron la fotólisis del colorante en ausencia de fotocatalizador y la desaparición del colorante por adsorción sobre el fotocatalizador en ausencia de luz. La degradación del colorante por fotolisis fue de un 1%, las nanopartículas del fotocatalizador adsorbieron un 7% del colorante y finalmente en la prueba de fotocatálisis se obtuvo una decoloración de un 57%, mostrando una muy buena eficiencia de degradación del colorante a 350 nm.