La fotocatálisis heterogénea ha cobrado gran interés de cara a disponer de nuevos métodos que permitan tratar la generación de contaminantes tóxicos y no biodegradables por parte de sectores industriales. Investigadores de la Unidad Química-Física del Departamento de Química de la UAB han conseguido mejoras mediante la modificación del TiO2 con Al(III) y Fe(III) que pueden contribuir al desarrollo de la fotocatálisis heterogénea para el tratamiento de aguas residuales o la purificación del aire.

Artículo: Aluminium(III) adsorption: a soft and simple method to prevent TiO2 deactivation during salicylic acid photodegradation. M. I. Franch, J. Peral, X. Domènech, J. A. Ayllón. Chemical Communications (2005, 1851-1853).

La generación de contaminantes tóxicos y no biodegradables por parte de sectores industriales requiere disponer de nuevos métodos que permitan tratar eficazmente este tipo de residuos. En este escenario, el desarrollo de la fotocatálisis heterogénea ha adquirido gran interés.

La fotocatálisis heterogénea se basa en el uso de un semiconductor (en general un material inocuo como el TiO2) el cuál, bajo irradiación con fotones suficientemente energéticos, genera radicales altamente oxidantes capaces de promover la mineralización total de los contaminantes en fase gas o acuosa o, como mínimo, su transformación en productos biodegradables (ver Fig. 1). El interés en el desarrollo de la fotocatálisis heterogénea para el tratamiento de aguas residuales radica, además de en su elevada capacidad de descontaminación, en el hecho que sus características satisfacen los principios de la Química Verde, especialmente si se utiliza la luz solar como fuente de irradiación. Sin embargo, para incrementar las expectativas de comercialización de esta técnica es necesario mejorar ciertos aspectos, tales como: a) la velocidad de destrucción de contaminantes b) la respuesta del catalizador en el rango visible (aprovechamiento de la luz solar), y c) la eficiencia de la reutilización del catalizador, evitando fenómenos de desactivación del TiO2.



Figura 1. Representación esquemática de una partícula de TiO2
durante el proceso fotocatalítico de destrucción de contaminantes.


En este trabajo se presentan diferentes resultados que demuestran que la modificación del TiO2 mediante la simple adsorción de cationes metálicos Al(III) o Fe(III) [1,2] permite mejorar significativamente el rendimiento del proceso fotocatalítico. La adsorción de los cationes M(III) sin un posterior tratamiento térmico, permite un ahorro energético considerable respecto las técnicas de dopaje convencionales, las cuales incluyen etapas de calcinación.

En primer lugar, se ha investigado el efecto del Al(III) y el Fe(III) en la velocidad de destrucción de los contaminantes, así como en el espectro de absorción del catalizador. La Tabla 1 muestra los resultados obtenidos en diferentes experimentos de degradación por fotocatálisis heterogénea del acido maleico. El interés en el estudio de este ácido carboxílico radica en dos aspectos. Por un lado, el ácido maleico es un contaminante común en aguas residuales. Por otro lado, el ácido maleico es compuesto que a menudo se encuentra entre los ácidos carboxílicos de cadena corta generados durante la mineralización por fotocatálisis heterogénea de contaminantes aromáticos. Los resultados recogidos en la Tabla 1 evidencian el efecto claramente beneficioso de la presencia de los cationes metálicos. El tiempo necesario para mineralizar totalmente el ácido maleico (COT=0) se reduce a la mitad. Además, la acumulación y toxicidad de los intermedios generados se reduce notablemente. Mediante diferentes estudios se ha concluido que el papel de los cationes metálicos involucra una menor recombinación del par electrón-hueco, así como una mayor participación del oxígeno y los radicales superóxido en la mineralización de la materia orgánica [1,2] (ver Fig. 1). En el caso del Al(III), la absorción de luz por parte del TiO2 en el rango visible del espectro se ve incrementada, posibilitando un mayor aprovechamiento de la luz solar [2].



Tabla 1. Resultados obtenidos en ensayos de degradación por fotocatálisis heterogénea del ácido maleico (1.00 mM) en presencia de TiO2 puro y TiO2 modificado ([TiO2]=1.5g/L; [M(III)]i=0.1mM).


Tal como se ha mencionado anteriormente, otro de los aspectos que deberían mejorarse para favorecer la implementación de la fotocatálisis heterogénea a gran escala se refiere a la perdurabilidad del catalizador. En este sentido, se ha investigado el efecto del Al(III) en fenómenos de desactivación del TiO2 [3].

Nuestros resultados indican que el ácido salicílico, a concentraciones suficientemente elevadas, produce la desactivación del TiO2 (ver Fig. 2). Las investigaciones realizadas para identificar las especies responsables de este fenómeno indican que se trata de compuestos oligoméricos. La Fig. 2 ilustra como la modificación del TiO2 mediante la adsorción de Al(III), además de acelerar el proceso de degradación del ácido salicílico, evita la desactivación. Esto implica, en consecuencia, la ampliación del rango de concentración en que la fotocatálisis heterogénea puede operar eficientemente.


Figura 2. Porcentaje de ácido salicílico eliminado en dos ciclos fotocatalíticos
(15 minutos de irradiación por cada ciclo) utilizando el mismo catalizador.


Las mejoras conseguidas mediante la modificación del TiO2 con Al(III) y Fe(III) pueden contribuir al desarrollo de la fotocatálisis heterogénea para el tratamiento de aguas residuales, pero también pueden ser de ayuda en otras aplicaciones, tales como la purificación del aire o la producción de hidrógeno a partir del agua, utilizando la radiación solar como fuente de energía.


[1] Enhanced photocatalytic degradation of maleic acid by Fe(III) adsorption onto the TiO2 surface. M. I. Franch, J. A. Ayllón, J. Peral and X. Domènech. Catalysis Today (2005), 101 (3-4), 245-252.
[2] Enhancement of photocatalytic activity of TiO2 by adsorbed aluminium(III). M. I. Franch, J. Peral, X. Domènech, R. F. Howe and J. A. Ayllón. Applied Catalysis B: Environmental (2005), 55(2), 105-113.
[3] Aluminium(III) adsorption: a soft and simple method to prevent TiO2 deactivation during salicylic acid photodegradation. M. I. Franch, J. Peral, X. Domènech, J. A. Ayllón. Chemical Communications (2005, 1851-1853).


Maribel Franch
Departamento de Química
Grupo de Fotocatálisis y Química Verde
Universitat Autònoma de Barcelona