Foto-descomposición del agua en presencia de agentes orgánicos mediante compósitos tipo α-Fe2O3/MgFe2O4

Abstract

RESUMEN: Se estudió la foto-descomposición del agua en presencia de compuestos orgánicos, tales como, glucosa, glicerol y metanol, utilizando fotocatalizadores del tipo hematita (α-Fe2O3), ferrita de magnesio (MgFe2O4) y el composito (α-Fe2O3/ MgFe2O4), irradiados con luz solar simulada. Los fotocatalizadores se sintetizaron por los métodos de co-precipitación y sol gel. Tanto los precursores obtenidos como lo fotocatalizadores se caracterizaron mediante: Análisis Termo Gravimétrico y Calorimetría Diferencial de Barrido (TGA/DSC), Espectroscopias Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR), UV-Vis Reflectancia Difusa (UV-vis DRS), espectroscopia de Fluorescencia, espectroscopia Raman y Difracción de Rayos-X (XRD), Microscopia Electrónica de Barrido (SEM/EDS) y Microscopia Electrónica de Transmisión de alta resolución (HRTEM).La evaluación de los diferentes catalizadores se efectuó en un reactor de vidrio con agitación magnética y una lampara de (Xe/Hg) a 200 watts. Los productos gaseosos de la reacción se analizaron mediante cromatografía de gases. La mayor tasa de producción de hidrógeno (i.e. 117 μmol/g cat *h) se obtuvo utilizando el catalizador de ferrita de magnesio sintetizado por co-precipitación y metanol como agente de sacrificio, la cual se explicó en función de la pureza y cristalinidad del material, además de sus propiedades ópticas mejoradas para realizar la reducción de protones. Por otro lado, la máxima tasa de producción de oxigeno fue de 282,881μmol/g cat *h , utilizando el composito α-Fe2O3/ MgFe2O4. sintetizado por sol-gel y sin agente de sacrificio. El elevado poder oxidante del composito se atribuyó a la sinergia entre las 2 fases, que reduce la recombinación de cargas favoreciendo la transferencia de huecos hacia la ferrita, la que realiza la oxidación del agua hacia oxígeno. Estos resultados demuestran la posibilidad de realizar un proceso de fotosíntesis artificial (i.e. descomposición del agua) aunque la investigación debe enfocarse hacia la integración de un co-catalizador en el composito que mejore significativamente la producción de hidrógeno. ABSTRACT: This work was devoted to the photo-decomposition of water in the presence of organic compounds, such as glucose, glycerol and methanol, using hematite (α-Fe2O3), magnesium ferrite (MgFe2O4) and the composite (α-Fe2O3/ MgFe2O4) type photocatalysts, irradiated with simulated sunlight. The photocatalysts were synthesized by co-precipitation and sol gel methods. Both, the precursors and obtained photocatalysts, were characterized by: Thermo-gravimetric analysis/Differential Scanning Calorimetry (TGA / DSC), Fourier-Transform Infrared (FTIR), UV-Vis Diffuse Reflectance (UV-Vis DRS), Fluorescence, Raman spectroscopies, X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM/EDS) and High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM). The evaluation of the different photocatalysts was carried out in a Pyrex cell with magnetic stirring an inert atmosphere, under irradiation with a solar simulator (Xe/Hg of 200 watts). The gaseous products of the reaction were analyzed by gas chromatography. The highest rate of hydrogen production (117 μmol / g cat * h) was obtained using the MgFe2O4 photocatalyst synthesized by co-precipitation and methanol as sacrificial electron donor (SED) , which was explained according to the purity and crystallinity of the material, in addition to its improved optical properties to carry out the proton reduction to hydrogen. On the other hand, the maximum oxygen production rate was 282,881 μmol / g cat * h, using the α-Fe2O3/ MgFe2O4 composite synthesized by sol-gel, without SED. This high oxidizing power of the composite was attributed to the synergy between two phases (α-Fe2O3 and MgFe2O4), which reduce photogenerated charge carriers favoring hole transfer (positive charges) to the ferrite, which performs the water photooxidation to oxygen. These results demonstrated, in a preliminary way, the possibility of carrying out an artificial photosynthesis process (i.e. water decomposition) although the research should focus on the integration of a co-catalyst in the α-Fe2O3/ MgFe2O4 composite, which can significantly reduce protons to hydrogen, simultaneously with the water photooxidation to produce oxygen.