Fotocatalizador

9 El fotocatalizador: síntesis, propiedades y limitaciones
Juan Rodríguez 1,2, Roberto J. Candal3,4,5, José Solís 1,2, Walter Estrada 1,2, y Miguel A. Blesa5,6,7
Instituto Peruano de Energía Nuclear, Av. Canadá 1470, Lima, Perú; Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Ingeniería, P.O. Box 31-139, Av. Tupac Amaru 210, Lima, Perú, correo electrónico: jrodriguez@IPEN.GOB.PE; 3 Facultad deCiencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Buenos Aires, Argentina; 4 Escuela de Ciencia y Tecnología, Universidad Nacional de General San Martín; 5 Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET); 6 Unidad de Actividad Química, Centro Atómico Constituyentes, Comisión Nacional de Energía Atómica, San Martín, Argentina; 7 Escuela de Posgrado, Universidad Nacionalde General San Martín.
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1. Introducción
La teoría cuántica de los sólidos ha establecido una completa y rigurosa descripción de los niveles de energía de un semiconductor, de la naturaleza de los portadores de carga y de las leyes que gobiernan su movimiento. El espectro de energía de los electrones en un cristal ideal consiste de grupos de estados de energía llenos y estados de energíavacíos, llamados también bandas de valencia (B.V.) y de conducción (B.C.) respectivamente. Entre estas bandas de energía existe una zona en la que no es posible que permanezca un electrón por falta de estados de energía, a esta zona se le denomina «Band gap», banda prohibida o ancho de banda óptico. Del valor de este ancho de banda óptico dependen las características electrónicas del material, si esmayor a 4 eV es denominado dieléctrico y si es cercana o igual a cero se le denomina metal, en cualquier otra circunstancia se denomina semiconductor. La figura 1 muestra esquemáticamente el potencial redox correspondiente a la banda de valencia y a la banda de conducción para distintos semiconductores, que puede ser expresados en eV (escala izquierda de la figura 1) o en voltios respecto alpotencial del electrodo normal de hidrógeno, ENH (escala derecha de la figura 1). Se muestran los potenciales redox de las cuplas (H +/½H2) y O 2/H2O respecto del potencial del electrodo normal de hidrogeno (ENH). Nótese que dichas líneas se corren por cambios en el pH, en la presión parcial de oxígeno, o en la temperatura. Aquellos materiales cuya banda de conducción se ubica por encima de la línea H+/H 2 son termodinámicamente capaces de reducir al agua, mientras que los materiales cuya banda de valencia se ubica por debajo de la línea O2/ H 2O pueden oxidarla.

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Juan Rodríguez, Roberto J. Candal, José Solís, Walter Estrada y Miguel A. Blesa

Figura 1. Posición relativa de los bordes de las bandas de conducción y de valencia de algunos semiconductores [1, 2].
reductores
CdTeCdSe Si

red-ox
CdS SrTiO3 TiO2 MoS2 ZnO Nb2O5

oxidativos

-4

Fe2O3

0.0 0.5 -5

H2/H

+

Energía (eV)

-5

Eg=1.4eV

Eg=1.7eV

Eg=1.1eV

-6

1.5 -6
Eg=2.4eV Eg=1.75eV

O2/H2O

-7

2.5 -7
Eg=2.3eV Eg=2.8eV

Eg=3.2eV

Eg=3.2eV

Eg=3.4eV

-8

Eg=3.2eV

-8 3.5
Eg=3.5eV

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De acuerdo al potencial de estos semiconductores para la oxidación oreducción del agua se pueden dividir en tres grupos: Reductivos: Pueden producir la reducción del agua y generar H2, sin embargo su potencial de oxidación es muy débil para oxidarla, como ejemplos se tienen: CdTe, CdSe y Si. Redox: En este caso existe la posibilidad de oxidar y reducir el agua, como ejemplos se tienen al CdS, SrTiO3, TiO2, ZnO, Nb2O5. Oxidativos: Pueden producir la oxidación del aguay generar O2, ya que la banda de valencia esta localizada a un potencial energético suficientemente negativo. Sin embargo el potencial de reducción de la banda de conducción es insuficiente para reducir el agua, como ejemplos se tienen al MoS2, Fe2O3, WO3 y SnO2. Luego de la separación electrón hueco, la transferencia interfacial de las cargas, que conduce a la oxidación de un compuesto orgánico...