Síntesis y caracterización de películas compuestas de nanorods de óxido de Zinc y óxido de grafeno/óxido de grafeno reducido para su aplicación en fotocatálisis

Abstract

El óxido de Zinc (ZnO), es conocido como un importante material fotocatalizador debido a su gran área superficial y a un transporte de carga eficiente, por tal motivo, es un material de mucho interés. En el presente trabajo se sintetizará películas de nanorods ZnO para su aplicación fotocatalítica y posteriormente se le agrega GO/rGO. Las películas fueron sintetizadas mediante un método de tres pasos: primero, las semillas de ZnO, se depositaron mediante la técnica de spray pyrolysis, sobre el sustrato FTO. El segundo paso, fue el crecimiento de los nanorods por un proceso hidrotérmico en una solución sobresaturada de nitrato de zinc, acetato de amonio y metenamina a 90° durante 3 horas. Finalmente, las nanolaminas de óxido de grafeno (GO)/ oxido de grafeno reducido (rGO), se anclaron en la superficie de las semillas Nrs ZnO puros. Sin embargo, los Nrs ZnO puros presentan dos inconvenientes principales, lo cual reduce su rendimiento como fotocatalizador. En primer lugar, los Nrs de ZnO puros absorben principalmente la luz ultravioleta, y segundo lugar, la alta tasa de recombinación en los Nrs ZnO puros reduce la eficiencia fotocatalítica. Debido a esto, en el presente trabajo se realizó un estudio de la morfología, estructura, propiedades ópticas y actividad fotocatalítica de los Nrs de ZnO puros, Nrs ZnO/ oxido de grafeno (GO), Nrs ZnO/ oxido de grafeno reducido (rGO). La caracterización morfológica, estructural y óptica de las películas compuestas se investigó mediante microscopia electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM), difracción de rayos X (DRX), espectroscopia Raman y finalmente fotoluminiscencia. La actividad fotocatalítica de estos materiales se estudió analizando la degradación del anaranjado de metilo en una solución acuosa bajo luz ultravioleta y encontrando que las películas compuestas Nrs ZnO con nanolaminas de GO y rGO, tienen una mejora significativa en el proceso de actividad fotocatalítica, mejorando la eficiencia de la degradación, donde Nrs ZnO/rGO son más eficientes que Nrs ZnO/GO y estos últimos mejores que Nrs ZnO puros.

Zinc oxide (ZnO) is known as an important photocatalytic material due to its large surface area and efficient charge transport, for this reason, it is a material of great interest. In the present work, films of ZnO nanorods will be synthesized for their photocatalytic application and later GG/rGO is added. The films were synthesized using a three-step method: first, the ZnO seeds were deposited using the spray pyrolysis technique on the FTO substrate. The second step was the growth of the nanorods by a hydrothermal process in a supersaturated solution of zinc nitrate, ammonium acetate and methenamine at 90° for 3 hours. Finally, graphene oxide (GO)/reduced graphene oxide (rGO) nanosheets were anchored on the surface of the seeds/Nrs ZnO. However, pure Nrs ZnO have two main drawbacks, which reduce their performance as a photocatalyst. First, ZnO Nrs mainly absorb ultraviolet light, and second, the high recombination rate in ZnO Nrs reduces photocatalytic efficiency. Due to this, in the present work a study of the morphology, structure, optical properties and photocatalytic activity of ZnO Nrs, ZnO Nrs/graphene oxide (GO), ZnO Nrs/reduced graphene oxide (rGO) was carried out. The morphological, structural and optical characterization of the composite films was investigated using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy and finally photoluminescence. The photocatalytic activity of these materials was studied by analyzing the degradation of methyl orange in an aqueous solution under ultraviolet light and finding that Nrs ZnO composite films with GO and rGO nanosheets have a significant improvement in the photocatalytic process, improving the efficiency of degradation, where Nrs ZnO/rGO are more efficient than Nrs ZnO/GO and the latter better than pure Nrs ZnO.