Fabricación y caracterización de electrodos a base de nanopartículas y óxido de iridio sobre substrato de titanio, para la para la producción de dióxido de cloro y su aplicación en la descontaminación del agua

Abstract

En las últimas décadas, estudios de nuevos materiales y nanomateriales han presentado una gran acogida en diferentes aplicaciones nanotecnológicas, estos avances tecnológicos nos plantean desafíos en investigaciones de ciencia e ingeniería de los materiales, es así que en este trabajo de investigación se desarrolló un material avanzado que permite mejorar la producción electroquímica de algunas sustancias oxidantes, de esta manera se estudió algunos óxidos metálicos con diferentes propiedades específicas, que tienen un comportamiento similar a un metal noble, tal es el caso del óxido de iridio un compuesto químico que posee características importantes como una alta estabilidad química a cambios bruscos de concentraciones de una solución y pH, presenta una buena estabilidad térmica, alta conductividad eléctrica de tipo metálico, tiene una mayor capacidad de almacenamiento de carga, etc. Todas estas propiedades hacen que sus aplicaciones sean variadas, tales como supercondensadores electroquímicos, electrodos de pH, sensores ópticos de modulación de luz, electrodos para catálisis electrocatalítica, esta última aplicación se implementó en esta presente investigación, se fabricaron electrodos recubiertos con nanopartículas de óxido de iridio sobre substrato de titanio mediante la técnica de recubrimiento por espray pirolisis, previamente se realizó la síntesis de nanopartículas por hidrólisis alcalina. Los electrodos se ensamblaron en un reactor electroquímico, luego se inyecto una cierta cantidad de clorito de sodio en solución de 0,5M, se energizó la celda y el ion hipoclorito se oxida a dióxido de cloro al entrar en contacto con el ánodo, de esta forma se realiza la producción de dióxido de cloro por electrolisis, este gas tiene la capacidad para oxidar compuestos orgánicos presentes en el agua, de esta manera cumple la función de desinfectante ya que elimina de manera efectiva microorganismos patógenos como bacterias, virus, hongos debido a sus cualidades oxidativas además mejora la calidad organoléptica del agua.

In recent decades, studies on new materials and nanomaterials have gained significant attention in various nanotechnological applications. These technological advancements pose challenges in materials science and engineering research. In this research work, an advanced material was developed to enhance the electrochemical production of certain oxidizing substances. Metal oxides with specific properties were studied, resembling those of noble metals. One such example is iridium oxide, a chemical compound known for its significant characteristics: high chemical stability under abrupt changes in solution concentrations and pH, good thermal stability, metallic-like electrical conductivity, and enhanced charge storage capacity, among others. These properties enable diverse applications, including electrochemical supercapacitors, pH electrodes, optical sensors for light modulation, and electrodes for electrocatalytic catalysis. The latter application was implemented in this current research, where electrodes coated with iridium oxide nanoparticles on a titanium substrate were fabricated using the spray pyrolysis technique, preceded by alkaline hydrolysis nanoparticle synthesis. The electrodes were assembled in an electrochemical reactor, and a certain amount of sodium chlorite in a 0.5M solution was injected. The cell was energized with a voltage of 5.5V. Sodium hypochlorite ions were oxidized to chlorine dioxide upon contact with the anode, thereby producing chlorine dioxide through electrolysis. This gas has the capability to oxidize organic compounds present in water, thus serving as a disinfectant by effectively eliminating pathogenic microorganisms such as bacteria, viruses, and fungi due to its oxidative qualities, while also improving the organoleptic quality of water.