Experimento integrador hacia la Ciencia de los Nanomateriales: fotodegradación de 4-Clorofenol con TiO2
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Resumo
El objetivo de esta práctica integradora es aplicar los conocimientos adquiridos sobre nanomateriales, destacando su relevancia en la remediación de aguas. En una primera etapa, se promueve el uso de herramientas previamente estudiadas para la caracterización del material, como la espectroscopía infrarroja y la difracción de rayos X. Esta última permite a los estudiantes identificar las fases del TiO₂ reportadas en la literatura y compararlas con su propio patrón de difracción. Posteriormente, se evalúa la degradación de un contaminante mediante fotocatálisis, repitiendo el experimento con tres concentraciones distintas de fotocatalizador para analizar la influencia del TiO₂ en el proceso. Finalmente, se espera que los alumnos propongan un método viable para la degradación del contaminante, fundamentado en resultados experimentales y referencias bibliográficas. Esta práctica busca fomentar la reflexión crítica y el interés por la investigación en un tema de alto impacto ambiental.
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Referências
Abbas, Z., Holmberg, J. P., Hellström, A. K., Hagström, M., Bergenholtz, J., Hassellöv, M., y Ahlberg, E. (2011). Synthesis, characterization and particle size distribution of TiO₂ colloidal nanoparticles. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 384(1–3), 254–261. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2011.03.064 DOI: https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2011.03.064
Brunnert, R., Bohrmann-Linde, C., Meuter, N., Pereira Vaz, N., Spinnen, S., Yurdanur, Y., y Tausch, M. W. (2018). The fascinating world of photochemistry. Educación Química, 29(3). https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2018.1.63736 DOI: https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2018.1.63736
Catalá Rodes, R. M., Chamizo, J. A., y García-Franco, A. (2021). El impacto del trabajo de Mario Molina en los programas y materiales educativos de educación media y media superior en México. Educación Química, 32(4). https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2021.4.80334 DOI: https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2021.4.80334
Crujeiras-Pérez, B., y Jiménez-Aleixandre, M. P. (2019). Interdisciplinarity and argumentation in chemistry education. https://doi.org/10.1039/9781788012645-00032 DOI: https://doi.org/10.1039/9781788012645-00032
Escobar-Alarcón, L., y Solís-Casados, D. A. (2020). Desarrollo de fotocatalizadores basados en TiO₂ en forma de película delgada para la degradación de moléculas orgánicas en solución acuosa. Mundo Nano. Revista Interdisciplinaria en Nanociencias y Nanotecnología, 14(26), 1e–23e. https://doi.org/10.22201/ceiich.24485691e.2021.26.69646
Franco Moreno, R. A., y Ordoñez Carlosama, L. Y. (2020). El enfoque de química verde en la investigación en didáctica de las ciencias experimentales. Su abordaje en revistas iberoamericanas: 2002–2018. Educación Química, 31(1). https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2020.1.70414 DOI: https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2020.1.70414
Guilfoyle, L., Hillier, J., y Fancourt, N. (2023). Students’ argumentation in the contexts of science, religious education, and interdisciplinary science-religious education scenarios. Research in Science & Technological Education, 41(2), 759–776. https://doi.org/10.1080/02635143.2021.1947223 DOI: https://doi.org/10.1080/02635143.2021.1947223
Hadjiivanov, K. (1998). FTIR study of CO and NH₃ co-adsorption on TiO₂ (rutile). Applied Surface Science, 135(1), 331–338. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(98)00298-0
Johnson, C. C., y Czerniak, C. M. (2023). Interdisciplinary approaches and integrated STEM in science teaching. In Handbook of research on science education (pp. 559–585). Routledge. https://doi.org/10.4324/9780367855758 DOI: https://doi.org/10.4324/9780367855758-22
Kroeze, V., Braakhuis, L., ten Kate, A. J. B., y Kersten, S. R. A. (2021). Determination of the minimum catalyst amount in the design of catalytic distillation columns. Industrial & Engineering Chemistry Research, 60(28), 10254–10264. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c01024 DOI: https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c01024
López-Fernández, M. d. M., y Franco-Mariscal, A. J. (2021). Indagación sobre la degradación de plásticos con estudiantes de secundaria. Educación Química, 32(2). https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2021.2.76553 DOI: https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2021.2.76553
Martínez Vázquez, A. (2019). Química e Ingeniería en Materiales: una nueva licenciatura. Educación Química, 30(4). https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2019.4.71010 DOI: https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2019.4.71010
Mikrut, P., Kobielusz, M., Indyka, P., y Macyk, W. (2020). Photocatalytic activity of TiO₂ polymorph B revisited: Physical, redox, spectroscopic, and photochemical properties of TiO₂(B)/anatase series of titanium dioxide materials. Materials Today Sustainability, 10, 100052. https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2020.100052
Mohamadpour, F., y Amani, A. M. (2024). Photocatalytic systems: Reactions, mechanism, and applications. RSC Advances, 14(29), 20609–20645. https://doi.org/10.1039/D4RA03259D DOI: https://doi.org/10.1039/D4RA03259D
Novoa Jerez, J. E., Alfaro, M., Alfaro, I., y Guerra, R. (2020). Determinación de la eficiencia de un mini panel solar fotovoltaico: Una experiencia de laboratorio en energías renovables. Educación Química, 31(2). https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2020.2.70300 DOI: https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2020.2.70300
Peñas-Garzón, M., Moreno-Medina, I., Bedia, J., y Belver, C. (2023). Síntesis y evaluación de fotocatalizadores TiO₂/carbón activo: Un enfoque multidisciplinar y cooperativo para estudiantes de ingeniería química. Educación Química, 34(1), 128–155. https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2023.1.82972 DOI: https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2023.1.82972
Satuf, M. L., Brandi, R. J., Cassano, A. E., y Alfano, O. M. (2008). Photocatalytic degradation of 4-chlorophenol: A kinetic study. Applied Catalysis B: Environmental, 82(1), 37–49. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2008.01.003
Solis Torres, L. D., y Vega Botto, A. (2018). Sustitución de una práctica de laboratorio con enfoque a química verde como herramienta para la reducción de residuos peligrosos. Educación Química, 29(1). https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2018.1.63809 DOI: https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2018.1.63809
Stepanova, A., Tite, T., Ivanenko, I., Enculescu, M., Radu, C., Culita, D. C., Rostas, A. M., y Galca, A. C. (2023). TiO₂ phase ratio’s contribution to the photocatalytic activity. ACS Omega, 8(44), 41664–41673. https://doi.org/10.1021/acsomega.3c05890 DOI: https://doi.org/10.1021/acsomega.3c05890
Suárez, A. G., Calviño, N. G., Drogo, C. F., Bottai, H. M., y Reinoso, A. R. (2019). Estudio de la percepción de estudiantes de nivel secundario sobre la química y su implicancia social. Educación Química, 30(3). https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2019.3.68209 DOI: https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2019.3.68209
Taverna, M. E., Boriglio, R., Dobler, S., Lesta, M., Scocco, N., y Garnero, P. C. (2023). Preparación de un barniz basado en residuos poliméricos como complemento experimental para estudiantes de ingeniería. Educación Química, 34(2), 81–93. https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2023.2.83552 DOI: https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2023.2.83552
Vilches, A., y Gil Pérez, D. (2021). El Antropoceno. Riesgos y oportunidades para las nuevas generaciones. Educación Química, 32(4). https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2021.4.80342 DOI: https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2021.4.80342
Zhang, Y., Leu, Y. R., Aitken, R. J., y Riediker, M. (2015). Inventory of engineered nanoparticle-containing consumer products available in the Singapore retail market and likelihood of release into the aquatic environment. International Journal of Environmental Research and Public Health, 12(8), 8717–8743. https://doi.org/10.3390/ijerph120808717 DOI: https://doi.org/10.3390/ijerph120808717
Material complementario
La presente guía ofrece sugerencias metodológicas para implementar la práctica de forma indagatoria. Se recomienda proporcionar únicamente la información básica indispensable (objetivo, problemas a resolver, preguntas detonantes) y permitir que el alumnado proponga los pasos experimentales. El rol del o la docente consiste en guiar la discusión, verificar la factibilidad y seguridad del procedimiento, así como fomentar la formulación de hipótesis y el análisis crítico de los resultados. Para ampliar estas estrategias pedagógicas, se sugiere consultar la infografía sobre Aprendizaje Basado en Problemas (ABP).
Anexo 1. Guía para el o la docente
Este documento proporciona pautas para que el personal docente implemente y organice la actividad experimental sobre la fotodegradación de 4-clorofenol con TiO₂. Aquí se especifican el cronograma, la organización de equipos y las recomendaciones metodológicas. Las tablas y figuras contenidas en este anexo sirven como apoyo y muestran ejemplos de cómo presentar resultados y datos de referencia. Se deja a criterio del o la docente decidir en qué momento compartir esta información con el estudiantado (antes, durante o después de la práctica), con el fin de no limitar su iniciativa e incentivar el aprendizaje activo.
Estructura y objetivo de la actividad
Objetivo principal
Introducir al estudiantado en la Ciencia de los Nanomateriales a través de una práctica experimental de fotocatálisis, utilizando TiO₂ para la degradación de 4-clorofenol.
Desarrollar habilidades experimentales en la caracterización de materiales (difracción de rayos X de polvos y espectroscopía infrarroja) y en la evaluación de la eficiencia de la fotodegradación de un contaminante.
Elaboración del reporte final
Se sugiere solicitar al estudiantado la redacción de un informe en formato de artículo científico, con los apartados de introducción, metodología experimental, discusión de resultados y conclusiones.
En la introducción se debe incluir:
Una breve descripción fisicoquímica del 4-clorofenol y sus efectos en la salud y el medio ambiente.
Las estructuras cristalinas del TiO₂, con énfasis en la fase anatasa y su relevancia en la fotocatálisis.
Las variables principales que influyen en la fotodegradación (pH, concentración del contaminante, cantidad de catalizador, etc.).
Diferencias entre los modos de operación del catalizador (fase homogénea vs. heterogénea) y las ventajas de cada sistema.
Un párrafo de enlace debe conectar la introducción con la parte experimental, resaltando la importancia de la práctica y anticipando los resultados esperados.
Discusión de resultados
Se recomienda iniciar con la caracterización del TiO₂ mediante difracción de rayos X de polvos y espectroscopía infrarroja, para que el estudiantado determine las fases presentes (anatasa, rutilo, etc.).
Posteriormente, se deben presentar y analizar los datos de degradación obtenidos al variar la cantidad de catalizador (50, 100 y 150 mg), reflexionando sobre la influencia de un exceso o defecto de material en la eficiencia fotocatalítica.
Cronograma del experimento
El cronograma está planteado para una sesión de 4 horas, con tres equipos de cuatro estudiantes. Cada grupo evaluará una de las cantidades de TiO₂ y, al final, compartirá sus resultados con el resto de la clase.
Pasos que seguir para realizar el experimento Duración de la sección
Preexperimental, poner aproximadamente 50, 100 y 150 mg de TiO2 comercial en la mufla a 100 °C un día anterior con la intención de eliminar el exceso de agua que pueda contener la muestra 24 hrs
Llevar la muestra a caracterizarla por difracción de rayos X en polvos 30 min
Llevar la muestra a caracterizarla espectroscopia de infrarrojo 20 min
Preparar la disolución de 20 ppm de 4-clorofenol en agua destilada 10 min
Pesar la cantidad o masa de TiO2 que se necesita por equipo 10 min
Instalar el equipo necesario para llevar a cabo la degradación 15 min
Fotodegradación del 4-clorofenol 1.5 hrs
Análisis de las alícuotas obtenidas por la fotodegradación 30 min
Nota importante para el o la docente:
Queda a criterio del personal docente decidir si comparte o no con el estudiantado los datos ejemplificados en el “Material para el Estudiante” (Anexo 2). Estos datos provienen de experimentos previos y pueden utilizarse como referencia para guiar la discusión, pero no deben sustituir la toma de datos propia de cada grupo.
Es altamente recomendable fomentar una sesión de discusión al finalizar la práctica, en la cual cada grupo presente brevemente sus resultados y se comparen las diferencias.
Sugerencias para la evaluación
Evaluación inicial: Cuestionario breve sobre el concepto de fotocatálisis, propiedades del TiO₂ y toxicidad del 4-clorofenol.
Evaluación formativa: Observación de la participación activa del estudiantado durante el montaje experimental y la toma de datos. Se pueden emplear rúbricas para evaluar el trabajo en equipo y el manejo de los equipos de laboratorio.
Evaluación final:
Informe escrito en formato de artículo científico.
Presentación oral de resultados (opcional), con énfasis en la interpretación y conclusiones.
Anexo 2. Material para el/la estudiante
Nota importante para el/la estudiante
Las tablas, figuras y resultados incluidos en este anexo son ejemplos ilustrativos obtenidos de experiencias previas. Tu responsabilidad es generar y analizar tus propios datos y, al finalizar, comparar o discutir las similitudes y diferencias con estos ejemplos. No se trata de un recetario estricto, sino de referencias que podrían orientar tu interpretación y tu discusión final.
Resumen
La fotocatálisis es un proceso avanzado de oxidación que emplea un catalizador —en este caso, dióxido de titanio— para descomponer contaminantes orgánicos en presencia de luz ultravioleta. En esta práctica, el contaminante de interés es el 4-clorofenol (4-CP), un compuesto orgánico tóxico y persistente, común en aguas residuales industriales. El objetivo es caracterizar el TiO₂ y evaluar cómo varía la fotodegradación del 4-CP al modificar la cantidad de fotocatalizador (50, 100 y 150 mg). Se registran datos mediante un espectrofotómetro UV-Vis para cuantificar la degradación y así determinar si un exceso de catalizador mejora o no la eficiencia de la reacción.
Introducción
Los fenoles y clorofenoles son compuestos orgánicos altamente tóxicos, ampliamente utilizados en diversas industrias. Se encuentran comúnmente en aguas residuales provenientes de sectores como el químico, petroquímico, textil y papelero, entre otros (Badanthadka y Mehendale, 2014). En particular, el 4-CP (Figura A1) se utiliza en la producción de quinizarina (un tinte), clofibrato (un fármaco), clorofenesina y diclorofeno (fungicidas).
En comparación con otras clases de compuestos orgánicos, los clorofenoles presentan niveles variables de toxicidad, según la cantidad de átomos de cloro presentes en el anillo aromático. Tanto los fenoles como los clorofenoles pueden ser absorbidos por vía digestiva —al consumir agua o alimentos contaminados— o a través de la piel, con solo entrar en contacto con ellos. Si bien la exposición a corto plazo no suele ser peligrosa, la exposición prolongada puede ocasionar graves daños a la salud (Garba et al., 2019). Por ello, en la industria química resulta indispensable contar con métodos eficaces de degradación para reducir o eliminar estos compuestos.
El TiO₂ presenta tres estructuras cristalinas principales: anatasa y rutilo, ambas con geometría tetragonal, y brookita, con geometría ortorrómbica (Figura A2) (Lourduraj, 2020). La fase anatasa es la más estable bajo condiciones normales, mientras que rutilo y brookita son fases metaestables que pueden transformarse en anatasa mediante calor o presión. El TiO₂ comercial utilizado como fotocatalizador es generalmente una mezcla de las fases anatasa y rutilo. Aunque el rutilo es la fase más estable, la anatasa es la más activa fotocatalíticamente; por ello, se requiere que el TiO₂ tenga una fracción mayoritaria de esta última (Mikrut et al., 2020).
La fase brookita ha sido menos estudiada debido a la dificultad para aislarla, aunque en años recientes se ha demostrado su potencial como fotocatalizador. El TiO₂ es activo únicamente bajo radiación UV, ya que su banda prohibida le permite absorber únicamente longitudes de onda menores a 400 nm (Escobar-Alarcón y Solís-Casados, 2020). Además, cumple con varias características deseables en un buen fotocatalizador:
Bajo costo
Alto poder oxidante
Estabilidad térmica y química
No toxicidad
Resistencia química frente a ácidos y bases fuertes
Transición electrónica por absorción de luz UV cercana (3.23 eV)
Anatasa: a) estructura vista desde el eje c y d) representación poliédrica (tetragonal).
Rutilo: b) estructura vista desde el eje c y e) representación poliédrica (tetragonal).
Brookita: c) estructura vista desde el eje c y f) representación poliédrica (ortorrómbica).
La fotodegradación de clorofenoles en solución acuosa ha recibido considerable atención, debido a que son microcontaminantes xenobióticos importantes en medios acuáticos (Hoffmann et al., 1995; Zambrano et al., 2022). Existen diversas líneas de investigación sobre la descomposición fotocatalítica de estos compuestos mediante semiconductores de óxido metálico, tanto en suspensión acuosa heterogénea como en forma inmovilizada (Figura A3).
Para llevar a cabo el proceso fotocatalítico y asegurar reacciones redox eficientes, deben considerarse múltiples variables:
Cantidad o masa del catalizador
pH (óptimo en medio ácido, entre 3 y 5)
Tipo de catalizador
Temperatura
Naturaleza y concentración del contaminante
Los catalizadores pueden emplearse en fase homogénea o heterogénea. La eficacia suele ser mayor en fase homogénea, ya que no existen limitaciones por transferencia de masa y la interacción con el sustrato es más directa. No obstante, presentan desventajas como la dificultad para separarlos del producto final y una mayor propensión a desactivarse, lo que incrementa los costos operativos y obliga a regenerarlos o sustituirlos con frecuencia.
Por su parte, los catalizadores heterogéneos, aunque menos eficaces en transferencia de masa, son más fáciles de recuperar y reutilizar. Al estar en estado sólido, pueden separarse del producto final mediante filtración o decantación. La elección entre catalizadores homogéneos y heterogéneos depende de factores como el tipo de reacción, las condiciones operativas y los costos. En la industria, se suele preferir el uso de catalizadores heterogéneos por su durabilidad y facilidad de manejo, a pesar de que a veces requieren condiciones más rigurosas (Loddo et al., 2018).
Descripción experimental
Este trabajo experimental sirve como introducción a la ciencia de los nanomateriales. Consiste en realizar varios experimentos de degradación utilizando diferentes masas de TiO₂ (50, 100 y 150 mg). Las muestras fueron secadas previamente en una mufla a 100 °C durante 24 horas, para conocer con precisión el peso del material.
Se preparó 1 L de una disolución a 20 ppm de 4-clorofenol. Posteriormente, se tomaron 200 mL de esta disolución y se vertieron en un reactor de 250 mL, al que se añadió la masa correspondiente de TiO₂. La mezcla se agitó durante unos minutos y se tomó una alícuota de 4 mL antes de iniciar la reacción, que sirvió como muestra de referencia.
La disolución con el catalizador se expuso a una lámpara UV (Pen-Ray, 254 nm) y se le inyectó aire con agitación constante. Después de 15 minutos, se apagó la lámpara y se interrumpió el suministro de aire, manteniendo la agitación. Entonces, se extrajo otra alícuota de 4 mL del reactor, la cual fue filtrada mediante una membrana para eliminar el material sólido.
La muestra se colocó en un tubo de ensayo para su análisis por espectroscopía UV-Vis. Este procedimiento se repitió a los 30, 45, 60, 75, 90 y 120 minutos.
Material y equipo
Solución de 4-clorofenol Sigma-Aldrich (20 ppm), dióxido de titanio grado industrial (AEROXIDE® TiO₂ P 25 de Evonik), una piseta con agua destilada, un cilindro de aire Praxair, cuatro charolas para pesaje, una manguera para burbujear aire, filtro Millipore con membrana de 0.22 µm, una pipeta graduada de vidrio, ocho tubos de ensayo de 10 mL, una probeta graduada de 250 mL, agitador magnético mediano, un vaso de precipitados de 250 mL, una jeringa de plástico de 5 mL, una caja negra para realizar la fotocatálisis (Figura A4), una parrilla con agitación, una mufla, reactor de vidrio, lámpara UV Pen-Ray de 254 nm, tubo de cuarzo (para proteger y sumergir la lámpara), espectrofotómetro UV-Vis modelo Varian Cary 100, y difractómetro D2 PHASER de la marca Bruker.
Caracterización y metodología
Inicialmente, se caracterizó el TiO₂ por difracción de rayos X de polvos, ya que, como se mencionó anteriormente, este material puede presentar tres fases cristalinas: anatasa, rutilo y brookita. Por ello, es importante conocer la estructura cristalina predominante para realizar una cuantificación precisa de los resultados y garantizar la reproducibilidad de la práctica. Con ayuda del difractómetro D2 PHASER de la marca Bruker, se midió el patrón de difracción de rayos X de polvos (PXRD, por sus siglas en inglés; véase Figura A5), donde se identificaron las distintas fases presentes en el material.
El análisis de los índices de Miller en una estructura cristalina, como el dióxido de titanio (TiO₂), puede realizarse utilizando el software Mercury para visualizar y estudiar las estructuras. Los pasos seguidos fueron los siguientes:
Cargar el archivo cristalográfico (CIF) del TiO₂:
Abrir el software Mercury.
Ir a “File” y seleccionar “Open” para cargar el archivo CIF (Crystallographic Information File).
En caso de no contar con el archivo, se puede descargar de bases de datos como la Crystallography Open Database (COD) o la Cambridge Structural Database (CSD), considerando que para el TiO₂ existen tres estructuras diferentes.
Visualizar la estructura cristalina:
Una vez cargado el archivo, Mercury muestra la estructura cristalina del TiO₂.
Se observan las posiciones atómicas y la celda unitaria en tres dimensiones.
Identificar los planos cristalinos y sus índices de Miller:
Para calcular e identificar los índices de Miller, se selecciona la opción “Miller Indices” o la herramienta correspondiente bajo la pestaña “Crystallography”.
Se eligen los planos deseados especificando los índices (h, k, l).
Visualización y análisis:
Se ajustan los parámetros de visualización para resaltar los planos de interés.
Es posible modificar colores y grosor de los planos.
Los índices más comunes para TiO₂ incluyen los planos (101), (110), (001) y (100), visibles en anatasa y rutilo.
Exportar y reportar resultados:
Mercury permite exportar visualizaciones como imágenes o archivos de datos.
También se pueden realizar mediciones como ángulos entre planos o distancias interplanares.
Tipos de estructuras del dióxido de titanio:
Rutilo (TiO₂): Forma cristalina más estable, con estructura tetragonal. Planos comunes: (110), (101) y (001).
Anatasa (TiO₂): Forma metaestable, también tetragonal. Planos comunes: (101), (200) y (211).
En la Figura A5 se indican los índices de Miller, donde se observa que la fase predominante es la anatasa, lo cual concuerda con lo reportado previamente (Gonçalves et al., 2018).
Para confirmar los resultados de la difracción de rayos X de polvos, se realizó espectroscopía de infrarrojo (Figura A6). La anatasa posee simetría tetragonal y pertenece al grupo espacial D₄h (I4₁/amd). Sus modos vibracionales activos en el infrarrojo se observan principalmente en el rango de ~640–750 cm⁻¹, característicos del estiramiento asimétrico Ti–O–Ti (Mikrut et al., 2020). Por su parte, el rutilo también tiene simetría tetragonal, pero pertenece al grupo espacial D₄h (P4₂/mnm), lo que genera un patrón vibracional diferente. Sus bandas se encuentran en el rango de ~450–650 cm⁻¹, asociadas a los modos de estiramiento de los enlaces Ti–O (Hadjiivanov, 1998).
Este análisis espectroscópico permite confirmar las fases observadas previamente.
Discusión y resultados
Cuando el TiO₂ es irradiado con luz UV, se promueven electrones desde la banda de valencia (BV) a la banda de conducción (BC), produciendo así un electrón (e⁻) en la BC y dejando un hueco positivo (h⁺) en la BV. Si el electrón y el hueco migran a la superficie del fotocatalizador sin recombinarse, pueden generar reacciones redox con los compuestos adsorbidos en dicha superficie. El hueco oxida a los contaminantes directamente o a través de la oxidación del agua, produciendo radicales hidroxilo (•OH), los cuales reaccionan con el 4-clorofenol, degradándolo. Por su parte, los electrones reducen los átomos de oxígeno adsorbidos en la superficie del fotocatalizador, generando radicales superóxido (O₂⁻) y otros grupos reactivos.
Durante este trabajo, se obtuvieron los espectros UV-Vis de la degradación de la solución de 4-clorofenol (4-CP), variando la masa de TiO₂ utilizada.
Los resultados fueron compartidos por todos los equipos que realizaron la práctica y se unificaron en una gráfica para facilitar la comprensión del fenómeno estudiado. Como se mencionó previamente en la introducción, hay factores que influyen considerablemente en la fotodegradación de un contaminante. Uno de ellos es la cantidad de fotocatalizador empleada, lo cual resulta crucial, ya que, en un proceso industrial, este factor puede afectar significativamente el costo del tratamiento.
Este fenómeno fue analizado en el presente estudio, y los resultados se muestran en la Figura A7. En la Figura A7a se observa el espectro UV-Vis correspondiente a una masa de 50 mg de TiO₂; a medida que transcurre el tiempo, las bandas de absorción del contaminante disminuyen. Lo mismo se aprecia en la Figura A7b para una masa de 100 mg, donde la reducción progresiva de las bandas indica una degradación más eficiente del compuesto. Finalmente, la Figura A7c muestra el análisis para 150 mg, evidenciando una tendencia similar a los casos anteriores.
Con el objetivo de obtener un análisis más preciso, se calculó el porcentaje de degradación del 4-clorofenol utilizando la Ecuación 1, comparando los resultados en función del tiempo (Figura A7d). Los resultados evidencian una tendencia común en los tres casos, sin observarse una diferencia sustancial en la degradación al aumentar la cantidad de TiO₂. Por lo tanto, se sugiere que una mayor cantidad de catalizador no mejora significativamente la degradación del 4-CP.
Este fenómeno resulta sumamente interesante y puede ser un punto de análisis para que los estudiantes comprendan que no siempre agregar más catalizador acelera una reacción. Esto puede explicarse porque, aunque los catalizadores aumentan la velocidad de las reacciones químicas, en algunos casos, un exceso puede tener el efecto contrario (Satuf et al., 2008). En fotodegradación, cuando se utiliza demasiado catalizador, las partículas adicionales pueden bloquear o dispersar la luz, reduciendo la cantidad de fotones que alcanzan los sitios activos. Como la energía lumínica es necesaria para activar el fotocatalizador, una menor penetración de luz disminuye la eficiencia de la reacción.
En fotocatálisis y en otros procesos, existe un punto óptimo en el que la cantidad de catalizador maximiza la eficiencia de la reacción. Superar este punto puede generar los efectos observados en este estudio. Por ello, para cada sistema, es fundamental determinar la masa o concentración adecuada del fotocatalizador para optimizar el proceso de degradación.
Mecanismo de degradación
Satuf et al. (2008) realizaron un estudio similar, con la diferencia de que ellos agregaron ácido perclórico a la disolución de 4-clorofenol con TiO₂, ya que un medio ácido favorece la degradación del compuesto. Propusieron que los compuestos intermedios formados durante el proceso son 4-clorocatecol, hidroquinona y benzoquinona (véanse las Figuras A8 y A9).
El artículo también menciona que, al absorber luz UV, el TiO₂ permite que un electrón se excite desde la banda de valencia a la banda de conducción, dejando un hueco positivo en la primera. Para evitar la recombinación de estos portadores de carga —lo que resultaría en pérdida de energía como calor—, es necesario “atrapar” a los electrones y “llenar” los huecos. Los electrones pueden ser atrapados por moléculas de oxígeno, generando radicales superóxido (•O₂⁻), mientras que los huecos pueden ser llenados por moléculas de agua o iones hidroxilo, lo que conduce a la formación de radicales hidroxilo (•OH).
Finalmente, se indica que, una vez completada la fotodegradación del 4-clorofenol, los productos resultantes son agua (H₂O), dióxido de carbono (CO₂) y ácido clorhídrico (HCl).
Conclusiones
El uso de TiO₂ como fotocatalizador para la eliminación de contaminantes en el agua, como el 4-clorofenol, demuestra un gran potencial para enfrentar los problemas de contaminación ambiental. Su eficacia en la degradación de compuestos orgánicos tóxicos mediante fotocatálisis destaca su papel central en los procesos de purificación del agua. Su capacidad para descomponer contaminantes en productos menos perjudiciales, utilizando incluso la luz solar como fuente de energía, constituye una solución sostenible y respetuosa con el medio ambiente.
En resumen, esta práctica ilustra el uso del TiO₂ como fotocatalizador para la eliminación de contaminantes como el 4-clorofenol. El trabajo realizado por estudiantes de licenciatura es integral, ya que muestra las ventajas del uso de un fotocatalizador y cómo caracterizarlo. Asimismo, enseña técnicas espectroscópicas para monitorear la degradación del contaminante en función del tiempo. Las herramientas y los conocimientos aplicados están en concordancia con los temas abordados en la UEA Introducción a la Ciencia de los Nanomateriales, por lo que esta práctica representa una forma atractiva de motivar a estudiantes a profundizar en este campo.
Referencias
Badanthadka, M., y Mehendale, H. M. (2014). Chlorophenols. En P. Wexler (Ed.), Encyclopedia of Toxicology (3.ª ed., pp. 896–899). Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-386454-3.00281-5 DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-386454-3.00281-5
Escobar-Alarcón, L., y Solís-Casados, D. A. (2020). Desarrollo de fotocatalizadores basados en TiO₂ en forma de película delgada para la degradación de moléculas orgánicas en solución acuosa. Mundo Nano. Revista Interdisciplinaria en Nanociencias y Nanotecnología, 14(26), 1e–23e. https://doi.org/10.22201/ceiich.24485691e.2021.26.69646 DOI: https://doi.org/10.22201/ceiich.24485691e.2021.26.69646
Garba, Z. N., Zhou, W., Lawan, I., Xiao, W., Zhang, M., Wang, L., Chen, L., y Yuan, Z. (2019). An overview of chlorophenols as contaminants and their removal from wastewater by adsorption: A review. Journal of Environmental Management, 241, 59–75. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.04.004 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.04.004
Gonçalves, M. C., Pereira, J. C., Matos, J. C., y Vasconcelos, H. C. (2018). Photonic band gap and bactericide performance of amorphous sol-gel titania: An alternative to crystalline TiO₂. Molecules, 23(7), 1685. https://doi.org/10.3390/molecules23071685 DOI: https://doi.org/10.3390/molecules23071677
Hadjiivanov, K. (1998). FTIR study of CO and NH₃ co-adsorption on TiO₂ (rutile). Applied Surface Science, 135(1), 331–338. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(98)00298-0 DOI: https://doi.org/10.1016/S0169-4332(98)00298-0
Hoffmann, M. R., Martin, S. T., Choi, W., y Bahnemann, D. W. (1995). Environmental applications of semiconductor photocatalysis. Chemical Reviews, 95(1), 69–96. https://doi.org/10.1021/cr00033a004 DOI: https://doi.org/10.1021/cr00033a004
Loddo, V., Bellardita, M., Camera-Roda, G., Parrino, F., y Palmisano, L. (2018). Heterogeneous photocatalysis: A promising advanced oxidation process. En A. Basile, S. Mozia, & R. Molinari (Eds.), Current Trends and Future Developments on (Bio-) Membranes (pp. 1–43). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813549-5.00001-3 DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813549-5.00001-3
Lourduraj, S. (2020). Titanium dioxide versatile solid crystalline: An overview. En D. Rajendra Sukhjadeorao & P. Dilip Rankrishna (Eds.), Assorted Dimensional Reconfigurable Materials (cap. 3). IntechOpen. https://doi.org/10.5772/intechopen.92056 DOI: https://doi.org/10.5772/intechopen.92056
Mikrut, P., Kobielusz, M., Indyka, P., y Macyk, W. (2020). Photocatalytic activity of TiO₂ polymorph B revisited: Physical, redox, spectroscopic, and photochemical properties of TiO₂(B)/anatase series of titanium dioxide materials. Materials Today Sustainability, 10, 100052. https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2020.100052 DOI: https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2020.100052
Satuf, M. L., Brandi, R. J., Cassano, A. E., y Alfano, O. M. (2008). Photocatalytic degradation of 4-chlorophenol: A kinetic study. Applied Catalysis B: Environmental, 82(1), 37–49. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2008.01.003 DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2008.01.003
Zambrano, J., Irusta-Mata, R., Jiménez, J. J., Bolado, S., y García-Encina, P. A. (2022). Photocatalytic removal of emerging contaminants in water and wastewater treatments: A review. En M. Shah, S. Rodriguez-Couto, & J. Biswas (Eds.), Development in Wastewater Treatment Research and Processes (pp. 543–572). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-85583-9.00023-5 DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-323-85583-9.00023-5
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