Improved binary and ternary nanostructured photocatalysts for gas phase detoxification of toluene

Abstract

Photocatalysis using nanocrystalline materials with enhanced catalytic properties under ultraviolet (UV) or visible light has the potential for becoming one of the leading processes for the abatement of environmental problems. This work is focused on the study of the synthesis, characterization, and photocatalytic application of nanocrystalline binary and ternary oxide catalysts. These nanostructured materials were synthesized by conventional sol-gel preparation methods, by inverse micelles, and by incipient wetness impregnation. The photocatalysts were characterized using XRD, FTIR, UV-Visible, and Raman spectroscopy, SEM, and TEM. The addition of silica to titania reduces anatase crystallite size, increases surface area, and modifies surface acidity. The photocatalytic results demonstrate that 7.5% sol-gel based catalysts are more active than the Degussa catalysts (P25 TiO2, and 8% SiO2-TiO2) using UV or Visible light on a catalyst mass basis. The photocatalytic activity using UV light is four times higher than the photocatalytic activity using visible light.

The photocatalytic activity of the WO3-TiO2 binary oxide catalysts was higher than P25 TiO2 and Degussa 8% SiO2-TiO2 under UV or visible light, and depended strongly on the tungsten content. The addition of WO3 into the anatase crystal structure of titania may potentially affect the photocatalytic activity by several factors such as: increasing the absorption capacity in the visible region, presence of surface W sites enhancing oxygen activation, changing the surface acidity, increasing the surface area, and improving the surface trapping of electron and holes before recombination. The results for the photocatalytic oxidation of toluene demonstrate that the addition of a third metal oxide does not improve the photocatalytic activity significantly in comparison with the binary oxides. The addition of Fe2O3 reduces the activity of the catalyst. All the samples prepared by the sol-gel method have less rutile than P25 TiO2. The intensity of the peaks associated to the anatase crystal phase decreased with an increase in the Si or W content. Loading the Degussa and sol-gel catalysts with 2.5% MoS2 improves the photocatalytic performance for the toluene oxidation. The MoS2 was synthesized using an inverse micelle method and loaded on to the catalysts by incipient wetness impregnation. Doping the Degussa catalysts with MoS2 dobles the initial activity relative to the unloaded catalysts. The MoS2 impregnated Degussa catalysts enhance the applicability of the visible light for the photocatalytic oxidation of toluene. Loading the 12.4% WO3-TiO2 sol-gel sample with 2.5% MoS2 increases the activity for the toluene oxidation using UV or visible light for the photocatalytic process. When MoS2 is loaded on a sample of 31.9% WO3-TiO2 no significant improvement of the activity occurred. All the MoS2 impregnated catalysts deactivate slower than the unloaded catalysts.

La fotocatálisis usando materiales nanocristalinos con características catalíticas mejoradas bajo luz ultravioleta (UV) o luz visible tiene el potencial para convertirse en uno de los principales procesos para combatir problemas ambientales. Este trabajo se centra en el estudio de la síntesis, caracterización y la aplicación fotocatalítica de catalizadores óxidos binarios y ternarios nanocristalinos. Estos materiales nanoestructurados fueron sintetizados por métodos convencionales de preparación solgel, por micelas inversas y por impregnación por mojado incipiente. Los fotocatalizadores fueron caracterizados usando XRD, espectroscopía FTIR, UV-Visible y de Raman, SEM, y TEM. El añadir sílice al dióxido de titanio reduce el tamaño de los cristalitos de anatasa, aumenta el área de superficie y modifica la acidez de la superficie. Los resultados fotocatalíticos demuestran que los catalizadores con base sol-gel de 7.5% son más activos que los catalizadores de Degussa (P25 TiO2, y el 8% SiO2-TiO2) usando luz UV o luz visible basados en la masa del catalizador. La actividad fotocatalítica bajo luz UV es cuatro veces más alta que la oxidación fotocatalítica bajo luz visible. La actividad fotocatalítica de los catalizadores óxidos binarios WO3-TiO2 fue más alta que P25 TiO2 y Degussa 8% SiO2-TiO2 bajo luz UV o visible, y depende fuertemente del contenido de tungsteno. Añadir WO3 a la estructura cristalina de anatasa del dióxido de titanio puede potencialmente afectar la actividad fotocatalítica por varios factores por ejemplo: aumenta el poder de absorción en la región visible, la presencia de lugares de W superficial mejora la activación del oxígeno, cambia la acidez superficial, aumenta el área superficial, y mejorar la captura superficial de electrones y los agujeros antes de la recombinación. Los resultados para la oxidación fotocatalítica del tolueno demuestran que la adición de un tercer óxido de metal no mejora la actividad fotocatalítica significantemente en comparación con los óxidos binarios. La adición de Fe2O3 reduce la actividad del catalizador. Todas las muestras preparadas por el método de sol-gel tienen menos rutilo que P25 TiO2. La intensidad de los picos asociada a la fase cristalina de anatasa disminuyó con un aumento en el contenido de silicio o de W. El depositar 2.5% MoS2 sobre los catalizadores de Degussa y preparados por solgel mejora el desempeño fotocatalítico para la oxidación de tolueno. El MoS2 fue sintetizado usando un método de micelas invertidas y depositado sobre los catalizadores por impregnación por mojado incipiente. El depositar MoS2 sobre los catalizadores de Degussa duplica la actividad al compararse con los catalizadores originales. Los catalizadores de Degussa impregnados con MoS2 mejoran la aplicabilidad de la luz visible para la oxidación fotocatalítica del tolueno. El depositar MoS2 sobre la muestra de 12.4% WO3-TiO2 aumenta la actividad para la oxidación del tolueno usando luz UV o luz visible para el proceso fotocatalítico. Cuando MoS2 se deposito sobre una muestra de 31.9% WO3-TiO2 no hubo una mejora significativa de la actividad. Todos los catalizadores impregnados con MoS2 se desactivan más lentos que los catalizadores descargados.