El estudio pretende modificar las propiedades estructurales de la titania. Se prepararon materiales de TiO₂ mediante el método sol-gel y los materiales fueron sintetizados con y sin ultrasonido. El ultrasonido se utilizó antes y después de la formación del gel. Con el ultrasonido se obtuvo mayor formación de incisiones y menor tamaño de partícula. El estudio de las diferencias se realizó mediante microscopia electrónica de barrido (MEB).The study aims to modify the structural properties of titania. TiO₂ materials were prepared by the sol-gel method and the materials were synthesized with and without ultrasound. Ultrasound was used before and after the gelation. With ultrasound, increased formation of incisions and smaller particle size were obtained. The study of differences was performed by scanning electron microscopy (SEM)

Espinoza Tapia, Julio César

Hernández Romero, Oscar Uriel

López Medina, Ricardo

Martínez Delgadillo, Sergio

May Lozano, Marcos

Rojas García, Elizabeth

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 Revista Tendencias en Docencia e Investigación en Química  Año 2016 Año 2 Número 2  Universidad Autónoma Metropolitana  QM151 Efecto del ultrasonido en la síntesis de TiO2 May Lozano Marcos1*, López Medina Ricardo1, Rojas García Elizabeth1, Espinoza Tapia Julio César1, Hernández Romero Oscar Uriel2, Martínez Delgadillo Sergio1  1Universidad Autónoma Metropolitana, Departamento de Ciencias Básicas. Av. San Pablo No. 180, Azcapotzalco, Ciudad de México. C.P. 02200. México. 2Universidad Tecnológica Fidel Velázquez, Departamento de Nanotecnología. Av. Emiliano Zapata S/N. Colonia el Tráfico, Estado de México, C.P. 50400. México.  *Autor para correspondencia: uammay@hotmail.com   Recibido:  4/Junio/2016 Aceptado:  26/Julio/2016  Palabras clave TiO2, ultrasonido, MEB      Keywords TiO2, ultrasound, SEM        RESUMEN El estudio pretende modificar las propiedades estructurales de la titania. Se prepararon materiales de TiO2 mediante el método sol-gel y los materiales fueron sintetizados con y sin ultrasonido. El ultrasonido se utilizó antes y después de la formación del gel. Con el ultrasonido se obtuvo mayor formación de incisiones y menor tamaño de partícula. El estudio de las diferencias se realizó mediante microscopia electrónica de barrido (MEB).    ABSTRACT  The study aims to modify the structural properties of titania. TiO2 materials were prepared by the sol-gel method and the materials were synthesized with and without ultrasound. Ultrasound was used before and after the gelation. With ultrasound, increased formation of incisions and smaller particle size were obtained. The study of differences was performed by scanning electron microscopy (SEM).                      Revista Tendencias en Docencia e Investigación en Química  Año 2016 Año 2 Número 2  Universidad Autónoma Metropolitana  QM152 Introdución  El método del ultrasonido es utilizado en la preparación y análisis de los materiales. Es una técnica de ensayo que tiene diversas aplicaciones, en especial para conocer el interior de un material según la trayectoria de la propagación de las ondas sonoras, lo que permite conocer su forma, tamaño y orientación, debido que la discontinuidad opone resistencia al paso de una onda. Los ultrasonidos se utilizan en muchas otras aplicaciones, tales como homogeneización, desintegración, sonoquímica, limpieza o desgasificación. Las ondas pueden ser sónicas comprendidas en el intervalo de frecuencias entre 20 y 500 kHz y las ultrasónicos con frecuencias superiores a 500 kHz (Santos et al. 2005). Los catalizadores heterogéneos están compuestos por muchas nanopartículas de distinta composición, tamaño y forma.  La actividad en la catálisis heterogénea puede depender mucho de la superficie y de la fase cristalográfica expuesta.  En la práctica, no es posible tener una superficie perfecta.  La superficie de un sólido puede estar llena de defectos debido al crecimiento del cristal o bien a procesos sufridos durante su formación. Se conoce que una reacción catalítica no se presenta en toda la superficie de la fase activa, sino que únicamente en ciertos sitios activos. El sitio activo del catalizador es el lugar donde ocurre la reacción catalítica. Esos sitios activos pueden ser principalmente lugares donde hay vacancias de átomos en los sólidos. Lo anterior, puede ocurrir en las fronteras, dislocaciones o irregularidades existentes en los cristales Estos defectos suelen ser importantes en el estudio de los procesos superficiales ya que los átomos son más reactivos al tener menos valencias cubiertas que el resto de los átomos. Entonces, los sitios activos son lugares con cargas no compensadas debido a defectos de red, irregularidades estructurales o de superficie, los cuales son formados aleatoriamente o en forma intencional (Ertl et al. 1997).   El estudio del TiO2 se ha centrado en su estructura electrónica, su reactividad catalítica y su superficie. Al ser un material de bajo costo y muy estable a temperatura ambiente, ha sido utilizado en fotocatálisis. El TiO2 ha demostrado ser capaz de degradar contaminantes orgánicos, microbios y productos químicos aromáticos (López, 2011). Pero es necesario mejorar el rendimiento catalítico del TiO2, por lo que se ha manipulado su tamaño de partícula y se le han agregado dopantes (Lin et al. 2006; San et al. 2001).  Se ha encontrado que, en el TiO2, el aumento de la proporción de defectos en la superficie lleva a una actividad fotocatalítica más alta (Kongsuebchart et al. 2006). La microscopía electrónica de barrido (MEB) es una técnica de análisis topográfico, estructural y composicional, es decir, es posible conocer características detalladas de los materiales como son su porosidad, morfología y composición química (Clavijo, 2013). En la preparación de catalizadores se busca aprovechar al máximo la cantidad de fase activa que presenta propiedades catalíticas. En este trabajo, se busca aumentar los defectos y disminuir el tamaño de partícula, al exponer al TiO2 a ultrasonidos de alta frecuencia (500 kHz). Mediante MEB se analiza que efecto estructural tiene el uso del ultrasonido. Al modificar la estructura de los materiales, generalmente se modifican sus propiedades de reactividad química. Metodología  Síntesis del TiO2  Los materiales TiO2 se prepararon por el método sol-gel. Durante la síntesis de los sólidos se usó una relación molar agua/alcóxido=8 y una relación molar alcohol/alcóxido=10. En un matraz de tres bocas se mezcló propanol con isopropóxido de titanio (marca Aldrich) a temperatura ambiente, después se agregó una cantidad de agua (desionizada), que se añadió gota a gota en la solución. Posteriormente, esta solución se mantuvo bajo agitación durante 2 horas. Entonces, las muestras se secaron a 100 °C en la estufa durante 2 días y finalmente se calcinaron en una mufla a 450 ° C por 2 horas en flujo de aire. En la figura 1, se indica el procedimiento y nombre de las muestras (en negritas) preparadas. El procedimiento de ultrasonido se llevó a cabo por 2 horas a temperatura ambiente, usando un ultrasonido de 500 kHz. En la muestra TiO2-USetanol-450, se utilizó etanol en lugar de agua durante el tratamiento con ultrasonido. El análisis MEB se realizó en el equipo Carl Zeiss SUPRA 55Pv, columna Gemini, con una elevación de 35°, inclinación de 1.0°, 4 número de iteraciones, y un detector X-Max. El elemento utilizado para la optimización fue cobre.  Revista Tendencias en Docencia e Investigación en Química  Año 2016 Año 2 Número 2  Universidad Autónoma Metropolitana  QM153              Ultrasonido   TiO2-450-US   Calcinado 450 °C  TiO2-USetanol-450   Calcinado 450 °C TiO2-450   Ultrasonido en agua  Ultrasonido en etanol TiO2 secado a 100 °C  Calcinado 450 °C TiO2- USagua-450  A            TiO2 Ultrasonido en síntesis  TiO2 secado 100 °C TiO2-US-100  TiO2 calcinado 450 °C TiO2-US-100-450  B Figura 1. Diagrama de del método de síntesis A) uso del ultrasonido despues del secado y B) uso del ultrasonido durante la gelación.  Resultados y discusión Estudio MEB sintetizando con ultrasonido  En la figura 2 se muestran las micrografías de las microscopias (MEB) de la muestra TiO2-450.  En la Figura 3 se observa la microscopia de la muestra TiO2-450 (TiO2) la cual se sintetizó por el método sol-gel sin el uso del ultrasonido y se calcinó a 450°C. Donde se observan estructuras no compactas formadas por agregados esféricos. Entre los agregados se forman macroporos y desde esta amplificación no se observa la formación de microporos. Por otra parte, se observa que en las estructuras esféricas casi no existen defectos de fractura de las esferas ni incisiones.  Figura 2. Micrografías de la muestra TiO2-450. En la figura 3, se han marcado con un círculo blanco las fracturas más visibles en la microscopia. Por lo anterior, se observa que mediante el método convencional de síntesis de TiO2 por el método sol-gel no existen una gran formación de fracturas de las estructuras formadas.  TiO2-450 Figura 3. Micrografía de la muestra TiO2-450 a 10.00 kX. En las figuras 4, 5, y 6 se observan las muestras TiO2-450-US, TiO2-USetanol-450 y TiO2-USagua-450, respectivamente. Cada una de las muestras fueron expuestas al ultrasonido de 500 kHz y calcinadas a 450°C, en distintas condiciones de síntesis (ver Figura 1). En los agregados en forma de esfera se observa un aumento de las fracturas o pequeños desprendimientos (marcados con círculos blancos). Lo anterior, indica que la utilización del ultrasonido después de la calcinación (TiO2-450-US) y después del secado (TiO2-USetanol-450 y TiO2-USagua-450), puede provocar pequeñas fracturas que modifican los agregados de TiO2. Con ello, los desprendimientos forman pequeñas partículas adicionales a las ya formadas, además de que aumentan los defectos superficiales en las estructuras esféricas del TiO2.  TiO2-450-US Figura 4.  Micrografía de la muestra TiO2-450-US.  Revista Tendencias en Docencia e Investigación en Química  Año 2016 Año 2 Número 2  Universidad Autónoma Metropolitana  QM154 TiO2-USetanol-450 Figura 5. Micrografía de la muestra TiO2-USetanol-450. TiO2- USagua-450  Figura 6. Micrografía de la muestra TiO2-USagua-450. En las Figuras 7 y 8 se observan las muestras TiO2-US-100 y TiO2-US-100-450, respectivamente. La muestra TiO2-US-100, es una muestra que fue expuesta a ultrasonido durante su síntesis, es decir antes de ser tratada a 100°C (durante la gelación).  Esta muestra, no presenta formación de gran cantidad de fracturas o desprendimientos de los agregados esféricos formados. Lo anterior, podría deberse a que durante la exposición al ultrasonido en un medio sol-gel acuoso los agregados formados pueden recomponerse sin fracturarse, aunque eso no significa que internamente no se tenga otra conformación. En el caso de la muestra TiO2-US-100-450, que es semejante a la anterior, con la diferencia que esta adicionalmente se calcinó a 450°C, se observa una gran cantidad de fracturas o pequeñas incisiones. Lo anterior demuestra que, aunque este material surge de un material con pocas fracturas, el material resultante es un material susceptible a formación de fracturas o incisiones. En función de lo anterior, se pude decir que el ultrasonido forma estructuras débiles que al exponerse a mayores temperaturas permiten la fractura o formación de incisiones en el material. TiO2-US-100 Figura 7. Mkicrografía de la muestra TiO2-US-100. TiO2-US-100-450 Figura 8. Micrografía de la muestra TiO2-US-100-450. Comparación con y sin ultrasonido. En la Figura 9 se muestra la comparación de las muestras TiO2-450 y la TiO2-US-100-450, en las cuales una es obtenida por el método sol-gel tradicional y la otra se obtuvo con ultrasonido durante la gelación (ver Figura 1). Se puede observar que en general el tamaño de las partículas esféricas es menor cuando se utilizó el ultrasonido.   Figura 9. Micrografías de las muestras TiO2-450 y la TiO2-US-100-450.  Revista Tendencias en Docencia e Investigación en Química  Año 2016 Año 2 Número 2  Universidad Autónoma Metropolitana  QM155 Conclusiones Fue posible el observar defectos estructurales en materiales de TiO2 empleando MEB, tratados mediante ultrasonido. En los resultados se puede observar que existe un efecto muy importante del ultrasonido durante la gelación, después del secado y calcinación. Se obtuvieron muchos defectos o incisiones en las estructuras esféricas del TiO2. Durante la aplicación del ultrasonido se obtienen pequeñas partículas desprendidas que, junto con los defectos, podrían modificar las propiedades del TiO2. Además, con el uso del ultrasonido se obtienen tamaños de partículas esféricas más pequeñas, en comparación de con el TiO2 obtenido mediante el sol-gel “tradicional”.  No existen muchos estudios similares al realizado en este trabajo. Referencias Clavijo J. (2013). Caracterización de materiales a través de medidas de microscopía electrónica de barrido (SEM), Revista Elementos, 3: 133-146. Ertl G., Knözinger H., Schüth F., Weitkamp J. (2008). Handbook of heterogeneous catalysis, vols 1-8, 2ª Ed. Wiley, pp.100–300.  Kongsuebchart W., Praserthdam P., Panpranot J., Sirisuk A., Supphasrirongjaroen P., Satayaprasert C. (2006). Effect of crystallite size on the surface defect of nano-TiO2 prepared via solvothermal synthesis. Journal of Crystal Growth, 297: 234–238. López R. (2011). Fotodegradación de contaminantes orgánicos en fase acuosa empleando fotocatalizadores de TiO2 modificados con metales de transición. Tesis de Doctorado, Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Iztapalapa, México. Lin H., Huang C.P., Li W., Ni C., Ismat Shah S., Yao-Hsuan Tseng. (2006). Size dependency of nanocrystalline TiO2 on its optical property and photocatalytic reactivity exemplified by 2-chlorophenol. Applied Catalysis B: Environmental; 68: 1–11. San N., Hatipoǧlu A., Koçtürk G., Çınar Z. (2001). Prediction of primary intermediates and the photodegradation kinetics of 3-aminophenol in aqueous TiO2 suspensions, J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 139: 225-232. Santos E., Cancino N., Yenque J., Ramírez D., Palomino M. (2005) El Ultrasonido y su Aplicación. Revista de la Facultad de Ingeniería Industrial, 8: 25-28.                               

Efecto del ultrasonido en la síntesis de TiO₂

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