Evaluación químico-cuántica y experimental de la degradación fotocatalítica del colorante negro reactivo 5

Abstract

El uso de catalizadores en la degradación de colorantes en sistemas acuosos ha sido objeto de una intensa investigación debido a la toxicidad que generan estos contaminantes. Este estudio tiene como objetivo evaluar el efecto de la actividad fotocatalítica de catalizadores basados en TiO₂, sometidos a ultrasonido a diferentes de frecuencias y diversos grados de hidrólisis durante el proceso de síntesis. Para la síntesis de TiO₂ mediante el método sol-gel, se utilizó ultrasonido de frecuencias 250 y 1000 kHz, junto con hidrólisis completa (H₂O/alcóxido=8) e incompleta (H₂O/al-cóxido=0.5). La actividad catalítica de cada catalizador se evaluó mediante la medición de la degradación del colorante Negro Reactivo 5, con una concentración inicial de 5 ppm. Los resultados indican que el catalizador sintetizado con ultrasonido a 1000 kHz y con hidrólisis completa presenta una degradación del colorante en un tiempo más corto (27.5 minutos) en comparación con el catalizador sintetizado sin ultrasonido (40 minutos), bajo la misma proporción H₂O/alcóxido. Las caracterizaciones realizadas en el microscopio electrónico de barrido (SEM) muestran claramente la formación de esferas, especialmente en los catalizadores con hidrólisis completa, sintetizados con y sin ultrasonido. En los espectros UV-Vis DRS, la banda de absorción intrínseca de TiO₂ en la región ultravioleta que presenta el fotocatalizador con hidrólisis incompleta y ultrasonido a 250 kHz sugiere una mayor actividad catalítica potencial en esta región. No obstante, la determinación de la energía del gap revela que, aunque tiene una energía de gap más baja (2.76 eV), otros factores, como el área de superficie, también influyen en la su actividad. Para optimizar los procesos de degradación de contaminantes, es crucial comprender las rutas de reacción y los subproductos generados para asegurar que sean menos tóxicos que el contaminante original. En esta investigación, se realizó un estudio teórico utilizando la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) para analizar la reactividad del colorante Negro Reactivo 5 (RB5) frente a radicales hidroxilo (•OH). Los cálculos revelaron que el confórmero trans de RB5 es más estable que el cis y que todas las rutas de adición del radical •OH en medio acuoso son exotérmicas y exergónicas, destacándose las trayectorias 7 y 1 por su mayor favorabilidad termodinámica y la formación de productos hidroxilados altamente estables.

The use of catalysts in the degradation of dyes in aqueous systems has been the focus of intense research due to the toxicity these pollutants generate. This study aims to assess the effect on the photocatalytic activity of TiO₂-based catalysts subjected to ultrasound at different frequencies and various degrees of hydrolysis during the synthesis process. For TiO₂ synthesis using the sol-gel method, ultrasound at frequencies of 250 and 1000 kHz was used, along with complete hydrolysis (H₂O/alkoxide=8) and incomplete hydrolysis (H₂O/alkoxide=0.5). The catalytic activity of each catalyst was evaluated using a 30 mL sample of Black 5 dye solution, with a initial concentration of 5 ppm. The results indicate that the synthesized catalyst with ultrasound at 1000 kHz and complete hydrol-ysis exhibits a lower dye degradation time (27.5 minutes) than the synthesized catalyst without ul-trasound under the same H₂O/alkoxide ratio (40 minutes). SEM micrographs clearly show the formation of spheres, especially in catalysts with complete hydrolysis, with and without ultrasound. In UV-Vis DRS spectra, the intrinsic TiO₂ absorption band between 200 and 400 nm in the ultra-violet region suggests potential higher catalytic activity in this region. However, the determination of the band gap energy highlights that, although the photocatalyst with incomplete hydrolysis and ultrasound at 250 kHz has a lower band gap energy (2.76 eV), other factors, such as surface area, also influence photocatalytic activity. To optimize contaminant degradation processes, it is crucial to understand the reaction pathways and the resulting byproducts to ensure they are less toxic than the original contaminant. In this research, a theoretical study using Density Functional Theory (DFT) was conducted to analyze the reactivity of the Reactive Black 5 (RB5) dye with hydroxyl radicals (•OH). The calculations revealed that the trans conformer of RB5 is more stable than the cis conformer, and all •OH radical addition pathways in an aqueous medium are exothermic and exergonic. Pathways 7 and 1 stand out as the most thermodynamically favorable, leading to the formation of highly stable hydroxylated products.