Este documento describe la funcionalización de óxido de grafeno con nanopartículas de plata y oro para la remoción de colorantes en aguas industriales. Se sintetizó óxido de grafeno y se funcionalizó con nanopartículas metálicas mediante un método in situ. El nanocompuesto resultante mostró una alta actividad fotocatalítica para degradar colorantes catiónicos y aniónicos en agua en menos de 15 minutos con luz visible de baja potencia.

1. FUNCIONALIZACI´ON DE ´OXIDO DE GRAFENO PARA LA
REMOCI´ON DE COLORANTES PRESENTES EN
AGUAS INDUSTRIALES TEXTILES
Sol Esmeralda Castellanos
Jerez
Escuela de Ingenieria Metal´urgica y
Ciencia de Materiales
2016
1 of 40

2. Contenido
Introducci´on
Marco Te´orico
M´etodos de Remoci´on
Componentes del Fotocalizador
Tipos de Compositos
Fotocatal´ısis Heterogenea
Objetivos
Metodolog´ıa
Resultados
S´ıntesis ´Oxido de Grafeno
Funcionalizaci´on de OG con NPs
Caracterizaci´on del Nanocomposito
Actividad Fotocatal´ıtica
Conclusiones
Recomendaciones
Bibliograf´ıa
2 of 40

3. Contaminaci´on ambiental
3 of 40

4. M´etodos de Remoci´on
4 of 40

5. Componentes del Fotocalizador
Componentes Propiedades
• Alta Conductividad
Fase Activa
5 of 40

6. Componentes del Fotocalizador
Componentes Propiedades
• Alta Conductividad
• Estabilidad qu´ımica
Fase Activa
5 of 40

7. Componentes del Fotocalizador
Componentes Propiedades
• Alta Conductividad
• Estabilidad qu´ımica
• Actividad catalitica
Fase Activa
5 of 40

8. Componentes del Fotocalizador
Componentes Propiedades
• Alta Conductividad
• Estabilidad qu´ımica
• Actividad catalitica
• Actividad
antimicrobiana
Fase Activa
5 of 40

9. Componentes del Fotocalizador
Componentes Propiedades
Fase Activa
• Actividad Catalitica
5 of 40

10. Componentes del Fotocalizador
Componentes Propiedades
Fase Activa
• Actividad Catalitica
• Alta foto-estabilidad
5 of 40

11. Componentes del Fotocalizador
Componentes Propiedades
Fase Activa
• Actividad Catalitica
• Alta foto-estabilidad
• Actividad fotot´ermica
5 of 40

12. Componentes del Fotocalizador
Componentes Propiedades
Fase Activa
• Actividad Catalitica
• Alta foto-estabilidad
• Actividad fotot´ermica
• Amplificaci´on campo
EM
5 of 40

13. Componentes del Fotocalizador
Componentes Propiedades
Fase Activa
• Mejor rendimiento
catal´ıtico
5 of 40

14. Componentes del Fotocalizador
Componentes Propiedades
Fase Activa
• Mejor rendimiento
catal´ıtico
• Almacenamiento ´optico5 of 40

15. Componentes del Fotocalizador
Componentes Propiedades
Alta resistencia mec´anica
Soporte
6 of 40

16. Componentes del Fotocalizador
Componentes Propiedades
Alta resistencia mec´anica
Gran ´area superficial
Soporte
6 of 40

17. Componentes del Fotocalizador
Componentes Propiedades
Alta resistencia mec´anica
Gran ´area superficial
Soporte
Alta trasparencia
6 of 40

18. Componentes del Fotocalizador
Componentes Propiedades
Alta resistencia mec´anica
Gran ´area superficial
Soporte
Alta trasparencia
Alta conductividad t´ermica
6 of 40

19. Componentes del Fotocalizador
Componentes Propiedades
Alta resistencia mec´anica
Gran ´area superficial
Soporte
Alta trasparencia
Alta conductividad t´ermica
Gran potencial de funcionali-
zaci´on
6 of 40

20. Tipos de Compositos
Compositos9 Aplicaciones
Tipo I Catalisis, absorci´on y sensores
Tipo II Electroqu´ımica, almacenamiento de energ´ıa
Tipo III Mejora propiedades electricas, t´ermicas y
mec´anicas de los materiales
7 of 40

21. Fotocatal´ısis Heterogenea
Separaci´on de portadores de carga en el semiconductor, por aplicaci´on
de un potencial externo.
Generaci´on Par Electr´on-Hueco
O2
e−
−−→ O
∗−
2
O
∗−
2 + H2O2
O2 + OH−
+ OH∗
H2O∗
8 of 40

22. Objetivos
Objetivo General
Evaluar la capacidad del ´oxido de grafeno funcionalizado con
nanopart´ıculas de Ag/Au, para remover colorantes cati´onicos y
ani´onicos utilizados en las Industrias Textiles.
9 of 40

23. Objetivos
Objetivos Espec´ıficos
• Caracterizar el ´Oxido de Grafeno y las nanopart´ıculas, por t´ecnicas
espectrosc´opicas.
• Estudio de una s´ıntesis que permita la funcionalizaci´on del ´Oxido
de Grafeno utilizando nano-part´ıculas de Ag/Au.
• Determinar las variables de operaci´on para la adsorci´on del
colorante en el OG funcionalizado.
• Evaluar la adsorci´on de colorantes en ´Oxido de Grafeno
funcionalizado con nanopart´ıculas de Ag/Au.
10 of 40

24. Metodolog´ıa
11 of 40

25. S´INTESIS ´OXIDO DE GRAFENO
12 of 40

26. S´ıntesis ´Oxido de Grafeno
13 of 40

27. FUNCIONALIZACI´ON DE OG CON NP
14 of 40

28. Funcionalizaci´on de OG con NPs
15 of 40

29. CARACTERIZACI´ON DEL NANOCOMPOSITO
16 of 40

30. DIFRACTOGRAMAS
17 of 40

31. 18 of 40

32. ESPECTRO XPS RGO
19 of 40

33. ESPECTRO XPS RGO@Ag@Au
20 of 40

34. ESPECTRO XPS RGO@Ag@Au
Porcentajes en masa XPS
Catalizador C 1s O 1s Ag 3D Au 4f
OGR 288.73(57.65 %)
286.51 (42.95 %)
534.43 (100 %)
OGR@Ag@Au 284.79(66.7 %)
286.29(18.54 %)
287.25(5.75 %)
291.01(1.92 %)
530.87(17.37 %)
533.03(82.63 %)
367.56(59.97 %)
373.06(40.03 %)
84.56(50.66 %)
88.06(49.34 %)
21 of 40

35. Distribuci´on de Tama˜nos
22 of 40

36. 23 of 40

37. Espectros RAMAN
24 of 40

38. ACTIVIDAD FOTOCATAL´ITICA
25 of 40

39. 26 of 40

40. Degradaci´on de NM
27 of 40

41. 28 of 40

42. Degradaci´on RB
29 of 40

43. 30 of 40

44. MS-ESI17
31 of 40

45. MSI-ESI18
32 of 40

46. CONCLUSIONES
• El OG con 24 de oxidaci´on demostr´o ser una buena superficie para an-
clar nanopart´ıculas de plata y oro empleando para ello el m´etodo in situ,
propiedad se le atribuye a los grupos oxigenados anclados a la superfi-
cie de grafeno durante el proceso de oxidaci´on, los cuales act´uan como
nanoreactores capaces de anclarlas y estabilizarlas.
• El difractograma del nanocomposito dilucidan una estructura turbostatica
(amorfa), y se considera que la funcionalizaci´on de las superficie del OG con
las NP son las responsables de un pico ancho que comprende desde 2θ=20-
30 siendo menos parecidos al pico angosto de la estructura de grafito; el
proceso de reducci´on tambi´en deja algunas regiones m´as organizadas que
se ve reflejado en un corrimiento de la familia de planos 2θ (002) a valores
m´as cercanos a la del grafito.
33 of 40

47. CONCLUSIONES
• Los espectros de XPS muestran tipos de ´oxidos de Ag las cuales se en-
cuentren unidas a la superficie del OG principalmente por las NP de Ag,
siendo estas los n´ucleos que despu´es fueron recubiertas por una capa de
Au.
• El uso de Ablaci´on L´aser para la formaci´on de las NP permiti´o obtener es-
tructuras semiesf´ericas polidispersas observadas por Microscopia Electr´oni-
ca de Transmitancia (TEM), con el cual podemos observar tama˜nos infe-
riores a 25 nm.
• Los espectros de EDS dejan claro la formaci´on de aleaciones de propor-
ciones indeterminadas que posiblemente presenten estructura tipo n´ucleo-
corteza, adem´as de estructuras individuales de Ag y Au.
34 of 40

48. CONCLUSIONES
• La espectroscopia Raman corrobora los resultados obtenidos por las t´ecni-
cas de DRX, XPS y TEM-EDS con los reportados en otros estudios para
nanocompuestos con estructuras core-shell, estableciendo al m´etodo in situ
como el procedimiento m´as adecuado para la funcionalizaci´on del OG.
• El nanocomposito presenta muy buena actividad fotodegradativa con l´ampa-
ras de luz visible de potencias bajas como es el caso de los led de luz fr´ıa
como es el caso de la luz del celular de 5.4 mW, con mejores resultados
con el uso del iniciador de reacci´on H2O2 a muy bajas proporciones (9 µl).
35 of 40

49. CONCLUSIONES
• El m´etodo in situ permiti´o obtener un material con capacidades fotode-
gradativas capaz de mineralizar colorantes con estructura tipo azo como
es el caso del Naranja de Metilo (anionico) y la Rodamina B (cati´onico)
presentes en agua, en un tiempo total de 15 minutos para una relaci´on de
1mg de nanocompuesto por 0,03 mg del colorante.
• El nanocomposito puede ser reutilizado con excelentes resultados por 5
ciclos, sin realizar ning´un tipo de limpieza o reactivaci´on; la perdida de
actividad puede deberse a la p´erdida del nanocomposito entre ciclos.
36 of 40

50. Recomendaciones
• Se recomienda probar diferentes matrices para encapsular el
OGR@Ag@Au con el fin de que pueda ser de f´acil aplicaci´on para
tratamientos a gran escala.
• Es recomendable realizar una caracterizaci´on minuto a minuto du-
rante el proceso de foto-cat´alisis para establecer la ruta de minera-
lizaci´on que se lleva a cabo.
• Se recomienda realizar nuevos ensayos con colorantes de diferentes
estructuras, y realizar la caracterizaci´on de sus productos.
• Se recomienda probar su capacidad fotodegradativa en aguas de
residuales industriales por su alto grado de complejidad.
37 of 40

51. Bibliograf´ıa
1. Pi˜na, M. S. Decoloraci´on biol´ogica del colorante azul directo 2 en un filtro anaerobio/aerobio. Universidad Nacional
Aut´onoma De M´exico. 2007.
2. L´opez A. A., Su´arez M. O. J., Hoyos, M. C., Montes C. C. Perfil Nacional de Sustancias Qu´ımicas en Colombia.
2a
. Ed. Bogot´a, D.C. Colombia Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenibles, Naciones Unidas para el Desarrollo
Industrial-UNIDO, 2012
3. Departamento T´ecnico Administrativo Del Medio Ambiente– DAMA, Camara de Comercio de Bogot´a-CCB,
Corporaci´on Ambiental Empresarial -CAE. Unidad de Asistencia T´ecnica Ambiental para la peque˜na y mediana
empresa-Acercar Industria (2004).
4. Galicia G. C. Remoci´on de un colorante de los efluentes de la industria textil mediante adsorci´on en una zeolita
natural, Tesis de grado de Maestro en ciencias. Universidad Aut´onoma Metropolitana, M´exico D.F.2011.
5. Manash R. D., Rupak K. S., Ratul S., Vinayak S. K., Manjusha V. S., Pinaki S., Synthesis of silver nanoparticles in
an aqueous suspension of graphene oxide sheets and its antimicrobial activity. Colloids and Surfaces B:
Biointerfaces 83 (2011) 16–22.
6. Mart´ınez S., P., Barrero R., A. Nanopart´ıculas de oro: procesos fotoinducidos y estudios de transferencia de fase.,
Universitat de Valˆencia, Espa˜na 2013. Pg. 10-15.
7. Abdel H., A. A., Al-Ghobashy, M. A., Fawzy, M., Mohamed, M. B., and Abdel-Mottaleb, M. M.S.A.
Phytosynthesis of Au, Ag, and AuAg Bimetallic Nanoparticles Using Aqueous Extract of Sago Pondweed
(Potamogeton pectinatus L.). ACS Sustainable Chem. Eng. 2013, 1, 15201529.
8. Georgakilas V., Otyepka M., Bourlinos A. B., Chandra V., Kim N., Kemp K. C., Hobza, P. ZborilR and Kim K. S....
Functionalization of Graphene: Covalent and Non-Covalent Approaches, Derivatives and Applications. Chem. Rev.
2012, 112, 61566214.
38 of 40

52. Bibliograf´ıa
9. Buitrago, R., Mondrag´on, F. Adsorci´on Catal´ıtica Simult´anea de NO y SO2 Sobre Carbones Activados. QU´IMICA
REV. ACAD. COLOMB. CIENC.: VOLUMEN XXXII, N´UMERO 122-MARZO DE 2008.
10. Jingfei Luan * and Yong Xu. Photophysical Property and Photocatalytic Activity of New Gd2InSbO7 and
Gd2FeSbO7 Compounds under Visible Light Irradiation. Int. J. Mol. Sci. 2013, 14(1), 999-1021.
11. Noem´ı C´ardenas-Rodr´ıguez y Jos´e Pedraza-Chaverri, Especies reactivas de ox´ıgeno y sistemas antioxidantes:
aspectos b´asicos.
12. Kumar V., Bahadur N., Sachdev, D., Gupta S., Reddy G.B., Pasricha, R. Restructural confirmation and
photocatalytic applications of graphene oxide–gold composites synthesized by Langmuir–Blodgett method.
CARBON 80 (2014) 290–304.
13. Myekhlaia, M., Leea, S., Leea T., Chungb, H., Jeong, H., A facile and eco-friendly synthesis of graphene–silver
hybrid materials for transparent conductive films. Ceramics International: Volume 41, Issue 1, Part B, 2015, Pages
983–989
14. Shayeh, J. S., Ehsani, A., Ganjali, M. R., Norouzi, P., Jaleh, B. (2015). Conductive polymer/reduced graphene
oxide/Au nano particles as efficient composite materials in electrochemical supercapacitors. Applied Surface
Science, 353, 594-599.
15. Luo, J., Zhao, X., Wu, J., Jang, H. D., Kung, H. H., Huang, J. (2012). Crumpled graphene-encapsulated Si
nanoparticles for lithium ion battery anodes. The Journal of Physical Chemistry Letters, 3(13), 1824-1829.
16. https://www.pinterest.com/pin/249598004323753149/
17. Baiocchia C, Brussinoa M. C, Pramauroa E, Prevot A. B, Palmisanob L, Marc G. Characterization of methyl orange
and its photocatalytic degradation products by HPLC/UV–VIS diode array and atmospheric pressure ionization
quadrupole ion trap mass spectrometry. International Journal of Mass Spectrometry 214 (2002) 247–256.
18. Soltani T, Entezari M. H. Sono-synthesis of bismuth ferrite nanoparticles with high photocatalytic activity in
degradation of Rhodamine B under solar light irradiation. Chemical Engineering Journal 223 (2013) 145–154.
39 of 40

53. 40 of 40