USO DE ELECTRODOS ÓXIDO DE INDIO DOPADO CON ESTAÑO (ITO) EN LA DEGRADACIÓN DE FENOL

USO DE ELECTRODOS ÓXIDO DE INDIO DOPADO CON ESTAÑO (ITO) EN LA DEGRADACIÓN DE FENOL

Se probó la oxidación galvanostática de Fenol y un colorante utilizando electrodos de óxido de indio dopado con estaño (ITO) cuando estos electrodos son nuevos y cuando han sido recuperados a través de dos procedimientos de limpieza con cloro benceno (CB) y con solución piraña (SP) con el objetivo de comparar la eficiencia de degradación.

1. Introducción

El óxido de indio dopado con estaño (ITO) tiene una amplia ventana de electroactividad, sin embargo, pocos estudios se han realizado en relación a su uso en la degradación1, recibiendo mayor atención otros óxidos como el Co3O42, el SnO21,3,4, IrO24, RuO25, TiO21,6,7, entre otros. El ITO es una semiconductor tipo n con una Banda Prohibida (Band Gap Eg) directa de 3.8 eV y una indirecta de 2.7 eV8,9. Tanto el contenido de estaño (aproximadamente 10%) como las vacancias de oxígeno son las responsables del dopado del ITO que lo hace un semiconductor con elevada conductividad y además es un material transparente en el rango visible8 que lo hace atractivo para su aplicación en múltiples dispositivos electrónicos como las pantallas de cristal líquido (LCD), diodos emisores de luz (LED), diodos orgánicos emisores de luz (OLED)10, en celdas solares, como sustrato para electrodepositar diferentes materiales como por ejemplo polímeros11, entre otros.

El uso de indio destinado a la fabricación de los dispositivos citados anteriormente ha elevado la demanda mundial de este elemento, lo que además, aumenta los costos de adquisición y provoca una preocupación futura en cuanto a la cantidad de indio que puede estar disponible y hasta cuando las reservas pueden abastecer la demanda actual, por lo que se hace importante buscar procedimientos de recuperación de este metal así como procedimientos de reciclaje que puedan dar nuevos usos a estos electrodos. Una de las propuestas de esta investigación se basa en el uso de electrodos de ITO que ya han sido utilizados para electrodepositar poli(3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT), por lo que se plantean dos procedimientos de limpieza en busca de las ventajas y desventajas de cada una para el uso de los electrodos en la degradación de fenol y un colorante.

En los años recientes, la oxidación anódica y en general el tratamiento electroquímico se ha convertido en el foco de la investigación en relación al tratamiento de aguas residuales debido a su elevada eficiencia, alta velocidad de degradación y fácil operación1,4.  Los productos electrolíticos dependen fuertemente del material del electrodo1,2 así como de las condiciones de operación así como las características del agua a tratar1,12, dentro de los parámetros que tienen una mayor influencia en el proceso se encuentran la densidad de corriente y la temperatura, al elevar la temperatura aumenta la velocidad de la reacción y la eficiencia de la corriente así como la reducción del grado de polimerización, mientras que al aumentar la densidad de corriente incrementos la velocidad de reacción pero también favorecemos la formación de polímeros12. Conjuntamente, la selección del material adecuado nos permite por un lado aumentar la eficiencia y duración del electrodo, y por otro, se relaciona con la eficiencia de la corriente (CE) en un proceso de oxidación.  En general, el ánodo debe tener un alto sobrepotencial en cuanto a la evolución del oxígeno1, que en el caso de los electrodos utilizados para el análisis es de 2.5V (en medio de KCl y KNO3 0.1M). Se propone por lo tanto usar los electrodos de ITO en la degradación electroquímica al utilizar dichos electrodos como ánodos en la descontaminación de aguas sintéticas así como de efluentes industriales.

1. Condiciones Experimentales

1. Reactivos

1. Equipos

El agua desionizada se obtuvo a partir de un Millipore Direct-Q UV3, los espectros de absorbancia y transmitancia se midieron en un Espectrofotómetro Genesys 10S UV-VIS Thermo Scientific, mientras que la degradación se llevo a cabo utilizando un Galvanostato.

1. Limpieza y recuperación

1. Limpieza

Los electrodos nuevos y los que fueron recuperados con cloro benceno deben ser limpiados de acuerdo al siguiente protocolo:

• Tritón X-100: se prepara una solución de Tritón X-100 en agua desionizada en relación 1:100. Se empapa un algodón con dicha solución y se frota suavemente los electrodos, para luego introducirse en viales herméticos que se llenan con la misma solución y se introducen en un sonicador por 10 min. Al finalizar este tiempo se sacan y lavan con abundante agua.
• Agua desionizada: se introducen nuevamente los electrodos en los viales llenos con agua desionizada y se procede a sonicar por 10 min.
• Etanol: se repite el procedimiento del punto anterior utilizando etanol en el llenado de los viales. Al finalizar se lavan los electrodos con agua para el siguiente paso.
• Ácido Etilendiaminotetrac ético (EDTA): se prepara una solución 1mM en agua desionizada y se lleva a pH básico (~ 12). Se llenan nuevamente los viales con la solución y se sonica por 10 min. Al finalizar, se lavan los electrodos con agua y se dejan secar al ambiente.

1. Recuperación

El proceso de recuperación se puede llevar a cabo de dos formas, la primera consiste en dejar los electrodos de ITO impregnados con PEDOT en cloro benceno (CB) durante toda la noche y al día siguiente se empapa un algodón con CB y se frota cualquier rastro del polímero que pudo persistir. Luego se procede a realizar el procedimiento de limpieza anteriormente detallado.

El segundo proceso de recuperación consiste en sumergir los electrodos (ITO-PEDOT) durante 1 min en una solución piraña (SP) que consiste en una mezcla de ácido sulfúrico concentrado con peróxido de hidrógeno en relación 4:1. En este caso los electrodos se lavan con agua y se dejan secar al ambiente sin realizar el proceso de limpieza como en el caso anterior.

1. Resultados y Discusiones

1. Estabilidad de los electrodos en distintos electrolitos

Para probar la estabilidad de los electrodos se llevo a cabo inicialmente experimentos en los cuales se mide el potencial del ánodo alcanzado en un tiempo determinado a diferentes corrientes aplicadas, para lo cual se utilizó una celda de dos compartimentos cada una con 11 mL del electrolito correspondiente, el ánodo fue un electrodo de ITO con 1.2 cm2 y como cátodo se utilizó una varilla de carbono de 1.9 cm2. En cada uno de los compartimentos se acopló un electrodo de Ag/AgCl contra el cual medimos el potencial alcanzado a cada lado de la celda y finalmente el potencial de celda se determinó midiendo el voltaje entre el ánodo y el cátodo. El experimento se llevó a cabo a temperatura ambiente y con agitación.

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