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Nov 01, 2023

Evaluación de las propiedades superficiales y eléctricas de los materiales híbridos TiO2@zeolita

Informes científicos volumen 13,

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 3650 (2023) Citar este artículo

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La degradación de contaminantes en medio acuoso es de gran interés debido al impacto sobre el medio ambiente y la salud humana, por lo que el diseño y estudio de las propiedades físico-químicas de fotocatalizadores para la remediación de aguas son de gran importancia. Entre las propiedades del fotocatalizador, las relacionadas con la superficie y el mecanismo eléctrico son cruciales para el desempeño del fotocatalizador. Aquí informamos las características químicas y morfológicas del fotocatalizador de TiO2@zeolita por espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) y microscopía electrónica de barrido (SEM) respectivamente, y se propuso un mecanismo de conducción eléctrica coherente basado en datos obtenidos de espectroscopía de impedancia láser asistida (ALIS ), en el que la zeolita se sintetizó a partir de cenizas volantes de carbón recicladas. Los resultados obtenidos por SEM y XPS verificaron la presencia de partículas esféricas de anatasa de TiO2 con presencia de estado Ti3+. Los resultados de ALIS mostraron que la impedancia de todo el sistema aumenta cuando aumenta la cantidad de TiO2 y las muestras con menor rendimiento capacitivo permitieron una mayor transferencia de cargas entre la interfaz sólido-líquido. Todos los resultados mostraron que el mayor rendimiento fotocatalítico del crecimiento de TiO2 sobre la hidroxisodalita con 8,7 % en peso y 25 % en peso de TiO2 se puede explicar en términos de la morfología del TiO2 y las interacciones entre el sustrato y el TiO2 principalmente.

Entre los colorantes, los compuestos azo son ampliamente utilizados en las industrias alimenticia y textil, una cantidad considerable de las aguas residuales de esas industrias son liberadas al medio ambiente lo que representa un peligro para los humanos y la vida acuática1,2. Debido a la alta estabilidad química de los colorantes, los procesos de oxidación avanzada que utilizan fotocatálisis heterogénea permiten la purificación de esta clase de aguas residuales3. Entre los fotocatalizadores, el TiO2 es uno de los más utilizados en la fotodegradación de contaminantes debido a sus propiedades como alta eficiencia de oxidación, inercia química y biológica, alta fotoestabilidad, facilidad de producción y uso en comparación con otros, costo relativamente bajo y respetuoso con el medio ambiente4,5; así, el TiO2 se ha utilizado y se sigue estudiando como material fundamental para mejorar los procesos fotocatalizadores6,7,8,9,10,11,12,13. Para mejorar el rendimiento del TiO2, este crece y se dispersa sobre un sustrato adecuado creando un material híbrido que utiliza las propiedades tanto del TiO2 como del sustrato. Uno de los sustratos utilizados para inmovilizar el TiO2 es la zeolita, que es un aluminosilicato hidratado formado por unidades tetraédricas TO4 (T = Si, Al) unidas a través de un átomo de oxígeno; generan una estructura tridimensional con cavidades internas y poros de dimensiones moleculares interconectados por canales. Debido a la diferencia de estado de oxidación de los iones Al (+3) y Si (+4), aparece una carga negativa que es neutralizada por los cationes intercambiables (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) y por las moléculas de agua adsorbidas que se colocan en los canales o jaulas de la estructura14,15. Las zeolitas son de origen natural o sintético y se utilizan en numerosas aplicaciones como la agricultura16, la salud17, los hidrocarburos18 y el tratamiento de la contaminación19. Las zeolitas sintéticas se pueden sintetizar a partir de materiales de desecho como chatarra de vidrio y aluminio20, cenizas volantes de carbón (CFA)21, residuos de litio22 y cascarilla de arroz23, entre otros, por método hidrotermal, principalmente. La capacidad del fotocatalizador para degradar los contaminantes por los materiales TiO2@zeolitas se debe a la propiedad del par electrón-hueco, promovida por la adsorción de la luz por el TiO2 para producir radicales libres en un medio acuoso, radicales capaces de oxidar compuestos orgánicos como colorantes azoicos4, 5. La eficiencia de fotocatálisis del TiO2 depende del número de radicales libres producidos, lo cual está influenciado por la capacidad de adsorción y la recombinación del electrón-hueco, principalmente. La dispersión de TiO2 en una zeolita busca resolver las dificultades del TiO2 —como la reducción de la tasa de recombinación electrón-hueco—, aumenta la adsorción y facilita la recuperación de una solución líquida24. De acuerdo con la revisión de la literatura, se ha reportado la producción de materiales híbridos de TiO2@zeolita con zeolita comercial en su mayoría25,26,27,28; sin embargo, la literatura relacionada con el uso de zeolita sintetizada a partir de cenizas volantes de carbón para la producción de TiO2@zeolita es escasa24,29, por lo que todavía falta comprensión del mecanismo involucrado para las aplicaciones de fotocatálisis en esos materiales.

En un trabajo previo30, reportamos la síntesis de TiO2@zeolita de bajo costo usando CFA tratada por método hidrotermal. Una variación de los parámetros experimentales permitió obtener dos muestras con hidroxisodalita y zeolita cancrinita como fase mayoritaria, estas muestras fueron etiquetadas como HYD y CAN respectivamente. Mediante el método de impregnación, se depositaron y dispersaron diferentes cantidades nominales de TiO2 (% en peso) en forma de isopropóxido de titanio sobre la superficie del HYD y el CAN por separado. Se confirmó que la fase estructural del TiO2 era anatasa empleando difracción de rayos X, mediciones Raman y microscopía electrónica de transmisión de alta resolución. El estado de Ti3+, debido a las vacantes de oxígeno en la estructura de TiO2, se confirmó mediante mediciones de resonancia de espín de electrones. La degradación fotocatalítica de un colorante azo se probó con naranja de metilo bajo radiación UV; las muestras con menor cantidad de TiO2 (8,7 % en peso y 25 % en peso) depositadas en HYD mostraron el mayor rendimiento de degradación.

En este trabajo reportamos el estudio de las características superficiales y eléctricas de materiales híbridos de TiO2@zeolita previamente sintetizados; estos materiales, obtenidos con concentraciones diferentes de TiO2, se caracterizaron empleando medidas de SEM, XPS y fotoimpedancia. El estudio tuvo como objetivo correlacionar las propiedades estructurales, morfológicas y eléctricas para proponer un mecanismo coherente sobre la transferencia de carga que explicara la degradación fotocatalítica del naranja de metilo previamente reportada por este tipo de materiales.

La síntesis de TiO2@zeolita se describe brevemente en ref30. El CFA se recolectó en la central termoeléctrica Sochagota TermoPaipa IV (Boyacá, Colombia) y se pasó por un tamiz de malla 400 (38 μm) con una composición química principal de óxidos de Si y Al y una relación Si/Al de 2,4. El CFA fue activado por el método hidrotermal convencional. La zeolita hidroxisodalita (HYD) como fase mayoritaria se obtuvo utilizando 4,2 g de CFA mezclados en una solución de agua destilada de NaOH con una relación NaOH/CFA de 3,0 a 99,5 °C durante 24 h y post-tratamiento térmico a 500 °C. La zeolita cancrinita (CAN) como fase mayoritaria se sintetizó usando 10 g de CFA mezclados en una solución de agua destilada de NaOH con una relación NaOH/CFA de 1,7 a 95 °C durante 24 h y post-tratamiento térmico a 500 °C.

La síntesis de los materiales híbridos se llevó a cabo de la siguiente manera: se impregnó TiO2 sobre dos CFA activados alcalinamente marcados como HYD y CAN. Se añadieron gota a gota diferentes cantidades nominales de TiO2 (wt%), en forma de isopropóxido de titanio, a una solución de etanol con HYD y CAN, por separado, durante seis horas, bajo agitación magnética, a 60 °C. Las soluciones se secaron durante la noche a 90 °C en un horno de mufla. Los materiales híbridos se etiquetaron en relación con el esquema de la Tabla 1.

El análisis químico de superficie se realizó por espectroscopía de fotoelectrones de rayos X, XPS, utilizando un espectrómetro X(NAP-XPS) con un analizador PHOIBOS 150 1D-DLD, empleando una fuente de excitación de Al-Kα (1486.7 eV, 13 kV, 100 W) con un paso de 20 eV y 0,1 eV. Todos los espectros se calibraron con un pico de electrones C1s a 284,6 eV. Las características morfológicas de la superficie se observaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) utilizando un equipo LYRA3 TESCAN en modo de retrodispersión y secundario, y la composición química se obtuvo mediante espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS).

Las propiedades eléctricas se estudiaron mediante medidas de espectroscopía de impedancia láser asistida (ALIS) en oscuridad y bajo iluminación, utilizando un láser de estado sólido no polarizado TEM 00 de longitud de onda λ = 390 nm, con una potencia de 35 mW/cm2. Los datos se recopilaron utilizando una caja de conexiones basada en un conector Bayonet Neill-Concelman (BNC) casero en un medidor LCR de precisión Keysight E4980AL. Las medidas se lograron con una señal de CA de 100 mV de amplitud en un rango de frecuencia entre 20 Hz y 1 MHz y con cero sesgo de CC. Los datos se ajustaron usando dos circuitos eléctricos equivalentes usando el software EIS Spectrum Analyzer 1.031. La muestra se colocó en una celda de forma cilíndrica compuesta por dos electrodos de acero inoxidable aislados separados por una junta tórica de politetrafluoroetileno. Se diluyeron 50 mg de los materiales híbridos en 200 mL de agua MilliQ; de esta solución se utilizó un volumen de 200 mL para realizar la medición.

Se obtuvieron mediciones de espectros XPS para analizar los estados químicos superficiales y electrónicos de las muestras. La Figura 1a,b muestra el espectro XPS completo de las muestras HYD-T-8.7 y CAN-T-8.7, respectivamente. Los espectros muestran señales de Al, Si, Na y Ti. Además, CAN-T-8.7 exhibe una señal que se origina en Fe. Al, Si y Na surgen de las zeolitas y otros aluminosilicatos que surgen de CFA tratado con álcali; el Ti emerge principalmente del TiO2 impregnado, y el Fe emerge del CFA. Todos los materiales híbridos, CAN-T e HYD-T, muestran espectros similares.

Amplios espectros XPS de las muestras (a) HYD-T-8.7 y (b) CAN-T-8.7.

Se realizaron espectros XPS de alta resolución para analizar los picos correspondientes a Ti2p (Fig. 2) y O1s (Fig. 3). Estos espectros se ajustaron con una función de pico gaussiano.

Espectros desconvolucionados del Ti2p para, (a) TiO2 sintetizado (b–f) HYD-T y (g–k) materiales híbridos CAN-T.

Espectros desconvolucionados de los O1 para (a) TiO2 sintetizado (b–f) HYD-T y (g–k) materiales híbridos CAN-T.

Para el TiO2 sintetizado, dos picos a 458,5 eV y 464,4 eV emergen de la división espín-órbita. Los espectros desconvolucionados del TiO2 sintetizado contienen picos principales a 458,5 eV, 459,7 eV y 464,3 eV que pueden asignarse a Ti4+2p3/212, Ti3+2p1/213 y Ti4+2p1/232,33 respectivamente, Fig. 2a. Los picos correspondientes al estado de Ti4+ se atribuyen al Ti4+ de la red de TiO2; el pico correspondiente al estado Ti3+ se atribuye a las vacantes de oxígeno en la superficie.

En todas las muestras, HYD-T (Fig. 2b-f) y CAN-T (Fig. 2g-k), los picos aparecen alrededor de 458,5 eV y 464,3 eV, ambos correspondientes al estado Ti4+. El pico en torno a 459,7 eV del estado Ti3+ no surge; sin embargo, emerge una tercera señal alrededor de 456 eV, que corresponde al estado Ti3+2p3/232. Para CAN-T-33.25, no se observó la contribución de la muestra del estado Ti3+ (Fig. 3i).

Para TiO2 sintetizado, los espectros de alta resolución de O1s XPS contienen picos principales a 529,7 eV y 530,5 eV que se pueden atribuir a Ti–O–Ti34 y una vacante de oxígeno (VO)33, respectivamente (Fig. 3a).

Los espectros XPS de O1s para HYD-T (Fig. 3b–f) y CAN-T (Fig. 3g–k) Los materiales híbridos representan picos adicionales; estos se desconvolucionaron con picos a 529,7 eV, 530,5 eV, 531 eV, 531,5 eV, 532,4 eV y 534,8 eV, que pueden atribuirse a Ti–O–Ti34, vacancia de oxígeno33, Ti–O12, Al–O–Al/Si–O–Al35, SiO235 y O2/H2O34 adsorbido, respectivamente.

La contribución relativa de la señal desconvolucionada al espectro total de la Fig. 2 y la Fig. 3 para cada una de las muestras se proporciona en la Fig. 4. Las barras al 100% en peso de TiO2 corresponden a la contribución del TiO2 sintetizado. El alto porcentaje de titanio en los materiales híbridos se refiere a un alto contenido de TiO2 en la superficie del sustrato. Para las muestras HYD-T, la contribución de Ti3+ disminuye cuando la carga de TiO2 aumenta hasta el 33,25 % en peso de TiO2, luego la contribución de Ti3+ aumenta cuando aumenta la carga de TiO2. Con respecto a las muestras CAN-T, la contribución de Ti3+ aumenta cuando la carga de TiO2 aumenta hasta el 25 % en peso de TiO2, luego la contribución de Ti3+ es cero para el 33,25 % en peso de TiO2, luego, la contribución de Ti3+ surge para el 41,3 % en peso de TiO2, esta contribución es menor que el aporte para el 25% en peso de TiO2 y finalmente, el aporte de Ti3+ disminuye para el 49,45% en peso de TiO2. Los resultados muestran que la contribución del estado Ti3+ en la fase TiO2 en la superficie de las muestras HYD-T se comporta de manera contraria a las muestras CAN-T en función de la cantidad de TiO2 cargado.

Contribución relativa al pico (a) O1s, (b) Ti2p para HYD-T; (c) pico de O1s y (d) Ti2p para materiales híbridos CAN-T.

La Figura 5 muestra las imágenes SEM de los materiales HYD-T. Se puede representar que la morfología de los materiales está compuesta por partículas con dos formas distintivas, principalmente. Las partículas tienen una forma claramente esférica en HYD-T-8.7, HYD-T-25 y HYD-T-33.25. La morfología del TiO2 cambia para cantidades más altas de TiO2 en las que las partículas tienen caras truncadas en las muestras HYD-T41.3 y HYD-T49.45, ambas formas con superficies lisas. Estas partículas corresponden a TiO2. Se observa que la agregación se produce en las partículas de TiO2 (es evidente en HYD-T-25), y hace que el tamaño de partícula sea mayor de 2,5 mm. Las partículas con forma de bastoncillos y escamas corresponden a aluminosilicatos, y el grado de agregación es menor que el de las partículas de TiO2. La agregación de partículas de TiO2 indica que la tasa de unión entre partículas de TiO2 es mayor que la tasa de unión del sustrato de TiO2. La composición elemental se obtuvo a través de una sonda EDS. La Figura 5f–k muestra el mapa EDS para HYD-T-41.3.

Imágenes SEM de los materiales híbridos HYD-T para (a) 8,7, (b) 25, (c) 33,25, (d) 41,3 y (e) 49,45 % en peso de TiO2 y (f–k) mapa EDS de la muestra HYD-T-41.3 relacionado con la Fig. 2d.

La Figura 6 muestra las imágenes SEM de los materiales CAN-T. Se puede observar que la morfología de los materiales exhibe un comportamiento similar al de las muestras HYD-T. La forma esférica es predominante en las partículas de TiO2 para CAN-T-25, CAN-T-33.25, CAN-T-41.3 y CAN-T-49.45; para cantidades más pequeñas de TiO2, la morfología cambia a caras truncadas en CAN-T-8.7. La superficie de las partículas de TiO2 presenta una superficie lisa. La agregación tiene lugar en partículas de TiO2 y es mayor en comparación con la agregación de partículas de TiO2 en muestras HYD-T. Las partículas con forma de barra y escama corresponden a aluminosilicatos. La unión del sustrato de TiO2 en esta muestra es mayor en comparación con la representada en las muestras de HYD-T. La Figura 6e–j muestra el mapa EDS para HYD-T-25. Los resultados muestran que la composición elemental se debe a los aluminosilicatos y al TiO2 del sustrato, principalmente con la presencia de otros elementos, como el hierro, que provienen de los CFA tratados.

Imágenes SEM de los materiales híbridos HYD-T para (a) 8.7, (b) 25, (c) 33.25, (d) 41.3 y (e) 49.45 wt % TiO2, y (f) mapa EDS de la muestra CAN- T-25 relacionado con la Fig. 4b.

Con el fin de investigar el comportamiento eléctrico de las muestras, se midió la respuesta ALIS en la oscuridad y bajo luz ultravioleta, a partir de estas mediciones se obtuvieron los diagramas de Bode de HYD-T y CAN-T que se muestran en las Figs. 7 y 8 respectivamente. Los datos revelan un aumento de la impedancia cuando se ilumina la muestra con un comportamiento resistivo a frecuencias entre 103 y 105 Hz, y un comportamiento capacitivo por debajo de 103 Hz y por encima de 105 Hz. La impedancia tiende a aumentar cuando aumenta la cantidad de TiO2.

Diagramas de Bode de las muestras HYD-T en la oscuridad (a) impedancia, (b) fase; bajo iluminación, (c) impedancia y (d) fase.

Diagramas de Bode de las muestras CAN-T en la oscuridad (a) impedancia, (b) fase; bajo iluminación, (c) impedancia y (d) fase.

La Figura 9 muestra los diagramas de Nyquist en la oscuridad y bajo iluminación para ambas series de materiales, HYD-T y CAN-T. Las curvas exhiben dos semicírculos. El radio de curvatura del semicírculo a baja frecuencia es mayor que el de alta frecuencia, que aumenta cuando aumenta la cantidad de TiO2. Los radios de curvatura en cada muestra aumentan cuando se irradian.

Gráficos de Nyquist de las muestras HYD-T y CAN-T en oscuridad y bajo iluminación.

Los diagramas de Nyquist de los materiales HYD-T y CAN-T en condiciones de oscuridad e iluminación se ajustaron a un circuito eléctrico equivalente con resistencias, capacitores y un elemento de fase constante (CPE), que se muestra en la Fig. 10a,b. Las impedancias equivalentes vienen dadas por las Ecs. (1) y (2) para materiales HYD-T y CAN-T, respectivamente:

donde ZC = 1/jωC, ZCPE = 1/P(j(ω − ω'))α. El elemento CPE se explica en términos de un parámetro fraccionario α y un parámetro P = ηC, en el que η es una función de calibración, donde R, C, P y α son parámetros ajustables. Α toma un valor de + 1 o − 1 para una impedancia reactiva capacitiva o inductiva, respectivamente, y determina el significado de P36.

Circuito equivalente para (a) HYD-T y (b) materiales híbridos CAN-T; procesos esquemáticos en los materiales híbridos (c) HYD-T y (d) CAN-T.

Los parámetros ajustables se informan en las Tablas 2 y 3 para las muestras HYD-T y CAN-T, respectivamente. Los parámetros ajustados entre las condiciones de luz y oscuridad presentan diferencias expresadas en porcentajes, registradas en la Tabla 2. La diferencia se calculó según la ecuación36:

Es importante dilucidar el mecanismo de conducción eléctrica de los materiales TiO2@zeolitas; sin embargo, podría ser un desafío resolver el mecanismo de formación exacto. Este estudio investigó este tema considerando los siguientes hechos: (a) La distorsión de los semicírculos se atribuye a la contribución del grano y los límites de grano. (b) Los radios de curvatura más grandes en los diagramas de Nyquist sugieren una transferencia de carga más baja en la interfaz electrolito/electrodo37,38,39,40,41. El radio de los semicírculos aumenta cuando aumenta la cantidad de TiO2 en las muestras HYD-T y CAN-T, lo que indica que aumenta la resistencia de todo el sistema; por lo tanto, hay un aumento en la resistencia de transferencia de carga a través de la interfaz sólido-líquido. Esas resistencias aumentan cuando aumenta la cantidad de TiO2 y la resistencia aumenta en cada muestra cuando se iluminan los materiales. (c) El aumento en la resistencia del sistema cuando aumenta la cantidad de TiO2 indica que la aglomeración de partículas de TiO2 (como se muestra en los resultados SEM) aumenta la resistencia entre la interfaz TiO2-sustrato. Además, los aumentos en la aglomeración de partículas de TiO2 aumentan la resistencia en el TiO2. (d) El aumento en la resistencia del sistema cuando está iluminado indica que los fotoelectrones generados en TiO2 aumentan la concentración de carga en la superficie; aumenta la contribución de la capacitancia a la impedancia del sistema. Adicionalmente, los radicales originados en la solución por procesos de oxidación son adsorbidos por el sustrato, o los fotoelectrones generados sobre TiO2 se recombinan en el sólido TiO2@zeolita.

De acuerdo con los hechos anteriores, está sugiriendo el siguiente mecanismo coherente:

Para ambas series de muestras, HYD-T y CAN-T, el valor de ΔR2 es mayoritariamente positivo (excepto para HYD-T-41.3) y tiende a aumentar cuando aumenta la cantidad de TiO2 en el material, lo que significa que la resistencia bajo iluminación disminuye, en comparación con la resistencia en la oscuridad. Esta resistencia se atribuye a la resistencia del TiO2 porque la densidad de electrones en la banda de conducción aumenta por la promoción de electrones de la banda de valencia por absorción de luz. El valor de ΔR2 es mayor en las muestras HYD-T que en las CAN-T, lo que sugiere que hay una mayor densidad de electrones en la superficie de TiO2 en HYD-T que en las muestras CAN-T. Con esto en mente, la capacitancia asociada con la superficie del TiO2 debe aumentar cuando se ilumina el material; por lo tanto, el valor de ΔC debe ser negativo. En las muestras CAN-T, ΔC2 se comporta como se esperaba; sin embargo, en muestras HYD-T, los valores de ΔC1 y ΔC2 son positivos. Estos resultados sugieren una mayor transferencia de electrones del material híbrido a la solución en las muestras HYD-T que en las CAN-T. Además, el circuito equivalente en las muestras HYD-T es de dos condensadores en lugar de los tres condensadores de las CAN-T. Así, el TiO2-sustrato en HYD-T favorece la transferencia de carga y evita la acumulación de carga en la interfase TiO2/sustrato y posteriormente en la interfase híbrido-material/solución (ver Fig. 10c). Por el contrario, en las muestras CAN-T, hay una acumulación de carga en la interfase TiO2/sustrato que evita la transferencia de carga del material híbrido al electrolito y presenta una mayor recombinación de huecos de electrones en el TiO2, especialmente en muestras con un % en peso de TiO2 mayor que 25%, en el que la aglomeración de partículas de TiO2 (SEM Figs. 5 y 6) favorece la recombinación electrón-hueco. Por lo tanto, el C2 es la capacitancia en la interfaz TiO2/sustrato en muestras CAN-T. C1 es la capacitancia en el electrodo/solución y R3 es la resistencia en la solución; ΔC1 y ΔR3 muestran valores positivos, lo que indica que hay una disminución de la acumulación de carga en esta interfaz y una disminución de los portadores de carga en la solución debido a la transferencia de carga desde el TiO2 y el electrolito hacia el sustrato para neutralizar los sitios activos en las fases de zeolita. Por lo tanto, R1 está asociado con la resistencia del sustrato y C3 es la capacitancia en la interfaz TiO2/sustrato en materiales híbridos CAN-T (ver Fig. 10d). La disminución de los valores de C2 bajo iluminación (es decir, la disminución de la acumulación de carga entre la muestra/electrolito y debido a la transferencia de carga para promover reacciones de oxidación y reducción en la superficie de TiO2 para generar radicales libres y OH, mayor cantidad de radicales) es generado por HYD-T-8.7 y HYD-T-25. Estas muestras exhibieron la mayor degradación del tinte entre todas las muestras30.

Este trabajo estudió las propiedades superficiales y eléctricas de los materiales TiO2@zeolita previamente sintetizados utilizados para degradar el naranja de metilo, en los que la zeolita se obtuvo a partir de CFA. Los resultados de XPS verificaron que TiO2 corresponde a anatasa con la presencia del estado Ti3+. Las características morfológicas estudiadas por imágenes SEM muestran que las partículas de TiO2 se aglomeran, formando partículas esféricas. El comportamiento eléctrico estudiado por las medidas ALIS nos permite concluir que la resistencia de todo el sistema aumenta cuando aumenta la cantidad de TiO2. Según los resultados de XPS, SEM y ALIS, el comportamiento eléctrico depende principalmente de las interacciones entre sustrato-TiO2 y sustrato/TiO2-líquido más que de la presencia de Ti3+ en la superficie. La mejor unión de sustrato de TiO2 en las muestras CAN-T aumenta el comportamiento capacitivo entre el sustrato y la interfaz de TiO2; sin embargo, la resistencia de todo el sistema es menor que en las muestras HYD-T. Por el contrario, el bajo grado de unión del sustrato de TiO2 en las muestras HYD-T disminuye el comportamiento capacitivo entre el sustrato y la interfaz de TiO2, lo que permite una mayor transferencia de cargas entre la interfaz sólido-líquido. A partir de los resultados se propuso un mecanismo eléctrico coherente para explicar las diferencias en la degradación del naranja de metilo por las muestras HYD-T y CAN-T, finalmente, el comportamiento eléctrico de los materiales híbridos producidos a partir de CFA y TiO2 es un mecanismo complejo que requiere información adicional. estudios para ser completamente dilucidados.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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This work was financed by the Gobernación de Boyacá (Grant No. 733 Colciencias). We acknowledge Fundación Universitaria Los Libertadores and Universidad Nacional de Colombia.

Grupo Física de Materiales, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC), Avenida Central del Norte 39-115, 150003, Tunja, Boyacá, Colombia

GI Supelano & CA Vine Vargas

Fundación Universitaria Los Libertadores, Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas, Cra.16 # 63a-68, Bogotá, Colombia

F.Mesa

Grupo GIFAM, Universidad Antonio Nariño, Carrera 7 # 21-84, 150001, Tunja, Boyacá, Colombia

J. A. Mejía Gómez

Grupo de Materiales Nanoestructurados y sus Aplicaciones, Universidad Nacional de Colombia-Bogotá, Cra. 30, No. 45-03, Edificio 404 Lab. 121C, 11001, Bogotá, Colombia

A. Dussan

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Conceptualización, redacción, análisis formal, investigación SIG; conceptualización, redacción, análisis formal, investigación, recursos FM; conceptualización, recursos, supervisión CAPV, conceptualización, recursos, supervisión JAMG; conceptualización, redacción, análisis formal AD Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a F. Mesa.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Supelano, GI, Mesa, F., Vargas, CAP et al. Evaluación de las propiedades superficiales y eléctricas de los materiales híbridos TiO2@zeolita. Informe científico 13, 3650 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30529-8

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Recibido: 21 noviembre 2022

Aceptado: 24 de febrero de 2023

Publicado: 04 marzo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30529-8

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