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Iron based nanostructures: synthesis, characterization and environmental applications

En los últimos años, la contaminación ambiental se ha convertido en un tema de preocupación pública. Debido a diferentes actividades, diversos compuestos orgánicos e inorgánicos acaban en el medio ambiente afectando sobre todo a las fuentes de agua potable y a la calidad del aire. Existen numerosos métodos para la eliminación de contaminantes. Entre ellos, destaca el método de adsorción debido a su simplicidad, bajo coste y elevada eficiencia. La estabilidad, porosidad, elevada área superficial, capacidad de transferencia electrónica entre otras propiedades, hacen que los nanomateriales se utilicen ampliamente como eliminación de contaminantes. En particular, las nanoestructuras magnéticas son ampliamente utilizadas como adsorbentes debido a la posibilidad de separarlos del entorno en el que están inmersos empleando un campo magnético externo. Además, está característica mejora la posibilidad de reciclar y reutilizar estos nanomateriales para reducir los costes del proceso. Concretamente, los nanomateriales basados en hierro y carbono se proponen como adsorbentes altamente eficientes debido a la elevada capacidad de adsorción del carbono. Además, la abundancia natural del hierro, su bajo cote, sus propiedades magnéticas y químicas y su baja toxicidad hacen que estos nanomateriales sean muy interesantes para su utilización en el campo de la reparación del daño medioambiental. Por otro lado, los fotocatalizadores también tienen interés en la eliminación de contaminantes. En este contexto, nuevamente, las nanopartículas magnéticas tienen gran interés debido a sus propiedades fisicoquímicas. Concretamente, las ferritas con diferentes cationes se utilizan como fotocatalizadores gracias a la posibilidad de diseñar semiconductores con valores de energía de band-gap reducidos y óptimas propiedades magnéticas y fotocatalíticas. Particularmente, en esta tesis se han analizado ferritas de Co-Zn como fotocatalizadores activos en el visible. En este trabajo, se han sintetizado en primer lugar nanoestructuras de Fe-C utilizando tres procedimientos diferentes teniendo como estrategia común la utilización de azúcar (glucosa, fructosa o sacarosa) como fuente de carbono. El primer procedimiento consiste en preparar una disolución acuosa que contiene una mezcla de sales de hierro (Fe3+) con diferentes azúcares como fuente de carbono. A continuación, la disolución se seca y se calcina a diferentes temperaturas. El segundo procedimiento de síntesis para obtener nanoestructuras de Fe-C está basado en la reducción de nanopartículas de Fe3O4 mediante la descomposición térmica de la fructosa. Finalmente, el calentamiento por inducción magnética se ha utilizado como nuevo método para recubrir con carbono nanopartículas magnéticas de Fe3O4. Las nanoestructuras obtenidas mediante cada uno de los métodos ateriores fueron caracterizadas estructuralmente utilizando diferentes técnicas como el Análisis Termogravimétrico (TGA), Espectroscopia Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR), Difracción de Rayos X (XRD), Microscopía Electrónica, o Espectroscopia Raman. La caracterización magnética de las muestras se ha llevado a cabo mediante magnetometría SQUID. La combinación de la caracterización estructural y magnetica de las muestras ha permitido analizar comparativamente los diferentes métodos de síntesis empleados para obtener nanoestructuras de Fe-C. Una vez se caracterizaron ampliamente las nanoestructuras de Fe-C, se evaluó la capacidad de adsorción de algunas muestras seleccionadas de cada uno de los métodos de síntesis, así como su reutilización. Para ello, se eligieron Cr (VI) y fenol como modelos de contaminantes orgánico e inorgánico, respectivamente. Además, el calentamiento por inducción magnética se estudió como un método alternativo de desorción de fenol y se comparó con un tratamiento térmico convencional. Finalmente, se sintetizaron nanopartículas de CoxZn1-xFe3O4 mediante el método de co-precipitación. Se caracterizaron estructuralmente (Difracción de rayos X, Espectroscopia de Fluorescencia de Rayos X y Microscopia Electrónica de Barrido), ópticamente (Espectroscopia UV-Vis por Reflectancia Difusa (DRS) y Espectroscopia de Fotoluminiscencia) y magnéticamente (magnetometría SQUID). Además, se realizaron mediciones de Espectroscopia de Emisión Óptica con Plasma Acoplado Inductivamente (ICP), área superficial y potencial Zeta para completar la caracterización de las nanopartículas. La actividad fotocatalítica de las ferritas de Co-Zn se evaluó utilizando fenol y tolueno como modelos de contaminantes en medio acuoso y en aire respectivamente.

Environmental pollution has become a topic of public concern in recent years. Due to different activities, organic and inorganic compounds end up in the environment mainly affecting water sources and air quality. There are numerous methods employed for pollutant removal. Among them, adsorption method stands out due to its simplicity, low-cost and high efficiency. The stability, porosity, high surface area, electron transfer ability, among other properties, make nanomaterials widely used as pollutant removal. Particularly, magnetic nanostructures are extensively employed as promising adsorbents due to the possibility to separate them from the environment in which they are immersed employing an external magnetic field. This feature also enhances the possibility of recycling and reusing these nanomaterials to reduce process costs. Specifically, iron carbon based nanomaterials are proposed as highly efficient adsorbents due to the high adsorption capacity of carbon. Moreover, the natural abundance of iron, low cost, magnetic and chemical properties, and low toxicity makes these nanomaterials very interesting for their application in the environmental remediation field. Furthermore, photocatalysts have also interest for their applications as pollutant removal. In this context, again, magnetic nanoparticles have gained attention due to their physicochemical properties. Particularly, spinel ferrites with different cations are employed for their use as photocatalysts due to the possibility to design ferrites with narrow band-gaps and optimum magnetic and photocatalytic properties. Specifically, in this thesis Co-Zn ferrites have been analyzed as visible light photocatalytic materials. Firstly, Fe-C based nanostructures have been synthesized employing three different procedures having as common research strategy the use of sugar (glucose, fructose or sucrose) as carbon source. The first process consists of mixing iron salts (Fe3+) with different sugars as carbon source in an aqueous solution. Then the solution is dried and annealed at different temperatures. The second synthesis process to obtain Fe-C nanostructures is based on the reduction of Fe3O4 nanoparticles employing the thermal decomposition of fructose. Finally, Magnetic Induction Heating (MIH) has been explored as a novel method to carbon coat Fe3O4 magnetic nanoparticles. The obtained nanostructures from each method have been structurally characterized employing different techniques such as Thermal Gravimetric Analysis (TGA), Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction, Electron Microscopy (TEM/STEM), or Raman spectroscopy. Magnetic characterization of the samples has been carried out by SQUID magnetrometry. The combination of the structural and magnetic characterization has allowed to comparatively anayze the different employed synthesis methods to obtain Fe-C nanostructures. Once the Fe-C nanostructures have been widely characterized, the adsorption capacities of some selected samples obtained by each method have been evaluated as well as their reusability. For that purpose, Cr (VI) and phenol have been chosen as inorganic and organic pollutant models, respectively. Additionally, MIH has been studied as an alternative phenol desorption method and compared to a conventional heat treatment. Finally, CoxZn1-xFe3O4 nanoparticles have been synthesized employing the co-precipitation method. They have been structurally (X-Ray diffraction, X-Ray fluorescence spectroscopy, and Scanning Transmission Electron Microscopy), optically (UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy and Photoluminescence spectroscopy), and magnetically (SQUID magnetometry) characterized. Additionally, Inductively Coupled Plasma Optical Emission spectroscopy, specific surface area, and Zeta Potential measurements have been carried out to complete the characterization of the nanoparticles. The photocatalytic activity of the Co-Zn ferrites has been evaluated employing phenol and toluene as water and air pollutant models, respectively.