ES2540701A1 - Photo-catalysts zirconium oxide-carbon compounds, preparation procedure and degradation procedure of organic compounds (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

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ES2540701A1 ES201530572A ES201530572A ES2540701A1 ES 2540701 A1 ES2540701 A1 ES 2540701A1 ES 201530572 A ES201530572 A ES 201530572A ES 201530572 A ES201530572 A ES 201530572A ES 2540701 A1 ES2540701 A1 ES 2540701A1
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Abstract

Photo-catalysts made of zirconium-carbon oxide, preparation procedure and process of degradation of organic compounds. The present invention describes new xerogel carbon-zirconium oxide composite materials useful as photocatalysts, as well as its synthesis process and its application in the degradation of organic compounds. These composite materials are active photocatalysts in the degradation of organic molecules under both ultraviolet radiation and visible light. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

DESCRIPCIÓN DESCRIPTION

FOTO-CATALIZADORES COMPUESTOS ÓXIDO DE ZIRCONIO-CARBÓN, PROCEDIMIENTO DE PREPARACIÓN Y PROCEDIMIENTO DE DEGRADACIÓN DE COMPUESTOS ORGÁNICOS 5 ZIRCONIO-CARBON OXIDE COMPOUND CATALYZERS, PREPARATION PROCEDURE AND ORGANIC COMPOUND DEGRADATION PROCEDURE 5

SECTOR DE LA TÉCNICA SECTOR OF THE TECHNIQUE

La presente invención se enmarca en el sector de los catalizadores, en particular catalizadores que contienen zirconio. 10 The present invention is framed in the field of catalysts, in particular catalysts containing zirconium. 10

El sector principal de aplicación de los materiales objeto de la invención es la eliminación de contaminantes, en particular el uso de los catalizadores que se describen como foto-catalizadores para la degradación de moléculas orgánicas en procesos de descontaminación de aguas y/o del aire empleando luz ultravioleta (UV) y 15 luz visible. The main sector of application of the materials object of the invention is the elimination of contaminants, in particular the use of the catalysts described as photo-catalysts for the degradation of organic molecules in water and / or air decontamination processes using ultraviolet (UV) light and 15 visible light.

ESTADO DE LA TÉCNICA STATE OF THE TECHNIQUE

Fotocatálisis 20 Photocatalysis 20

La fotocatálisis es un proceso de oxidación avanzada que se ha empleado con éxito en la descontaminación de aire y agua. Por diversas razones, el proceso de tratamiento y/o purificación de aguas mediante fotocatálisis heterogénea con dióxido de titanio como catalizador es, hoy por hoy, una de las aplicaciones fotoquímicas que más interés ha despertado entre la comunidad científica internacional. El dióxido de 25 titanio es considerado el foto-catalizador por excelencia pero el band gap (separación energética entre la banda de valencia y de conducción) de éste es de 3.2 eV, por tanto, se requiere radiación o luz UV (λ ≤ 387 nm) para producir la migración de un electrón desde la banda de valencia a la banda de conducción necesario para el proceso de fotocatálisis. Esto hace que estos procesos de degradación sean costosos 30 y tediosos pues requieren irradiar con una radiación energética y relativamente peligrosa como es la luz ultravioleta. Photocatalysis is an advanced oxidation process that has been used successfully in air and water decontamination. For various reasons, the process of treatment and / or purification of water by heterogeneous photocatalysis with titanium dioxide as a catalyst is, today, one of the photochemical applications that has aroused most interest among the international scientific community. The titanium dioxide is considered the photocatalyst par excellence but the band gap (energy separation between the valence and conduction band) of this is 3.2 eV, therefore, radiation or UV light is required (λ ≤ 387 nm ) to produce the migration of an electron from the valence band to the conduction band necessary for the photocatalysis process. This makes these degradation processes expensive and tedious because they require irradiation with an energetic and relatively dangerous radiation such as ultraviolet light.

Foto-catalizadores de óxido de titanio Titanium oxide photocatalysts

35  35

El óxido de titanio, puro o dopado, es el material más ampliamente usado y estudiado como foto-catalizador. Constantemente se están desarrollando nuevas estrategias Titanium oxide, pure or doped, is the most widely used and studied as a photo-catalyst. New strategies are constantly being developed

para mejorar dichas propiedades foto-catalíticas del óxido de titanio (titania o TiO2), estando la gran mayoría de ellas enfocadas a mejorar su actividad foto-catalítica mediante la preparación de materiales híbridos o dopados. De este modo la adecuada combinación de materiales de carbón y óxidos metálicos fotosensibles como TiO2 pueden dar lugar a materiales de altas prestaciones en fotocatálisis, y especialmente 5 sustituyendo la luz ultravioleta por luz visible haciendo más viable el proceso. to improve said photo-catalytic properties of titanium oxide (titania or TiO2), the vast majority of them focused on improving their photo-catalytic activity by preparing hybrid or doped materials. In this way the suitable combination of carbon materials and photosensitive metal oxides such as TiO2 can give rise to high performance materials in photocatalysis, and especially replacing ultraviolet light with visible light making the process more viable.

Alternativas usando Óxido de Zirconio Alternatives using Zirconium Oxide

Por el contrario, el óxido de zirconio ha sido mucho menos estudiado y utilizado como foto-catalizador. El band-gap del óxido de zirconio es 5 eV, pero dependiendo del 10 método de síntesis pueden alcanzarse valores desde 2.3 ev [B. Králik, E.K. Chang, and S.G. Louie. Structural properties and quasiparticle band structure of zirconia, Phys. Rev. B 57(12), 7027, 1998], alcanzando valores similares al óxido de titanio, que presenta un band gap de 3.2 eV en su fase anatasa (la más activa), en algunas síntesis [S. Polisetti, P.A. Deshpande, and G. Madras. Photocatalytic Activity of 15 Combustion Synthesized ZrO2 and ZrO2-TiO2 Mixed Oxides, Ind. Eng. Chem. Res. 50(23), 12915, 2011] mostrándose óptimo para su empleo como foto-catalizador. No obstante no se han encontrado referencias que demuestren la foto-actividad del óxido de zirconio puro o dopado en la degradación de contaminantes. In contrast, zirconium oxide has been much less studied and used as a photocatalyst. The band-gap of zirconium oxide is 5 eV, but depending on the method of synthesis, values from 2.3 ev [B. Králik, E.K. Chang, and S.G. Louie Structural properties and quasiparticle band structure of zirconia, Phys. Rev. B 57 (12), 7027, 1998], reaching values similar to titanium oxide, which has a band gap of 3.2 eV in its anatase phase (the most active), in some synthesis [S. Polisetti, P.A. Deshpande, and G. Madras. Photocatalytic Activity of 15 Combustion Synthesized ZrO2 and ZrO2-TiO2 Mixed Oxides, Ind. Eng. Chem. Res. 50 (23), 12915, 2011] being optimally suitable for use as a photo-catalyst. However, no references have been found that demonstrate the photo-activity of pure or doped zirconium oxide in the degradation of contaminants.

20  twenty

Importancia de las propiedades texturales de los foto-catalizadores. Importance of the textural properties of photocatalysts.

Finalmente cabe destacar la importancia de las propiedades texturales de los materiales desarrollados como foto-catalizadores, pues la eliminación del contaminante también se produce por adsorción de éste en la porosidad de los mismos, por lo tanto, en procesos en fase líquida, la presencia de un volumen 25 adecuado de mesoporosidad donde el contaminante pueda ser adsorbido es determinante. Finally, it is worth highlighting the importance of the textural properties of the materials developed as photocatalysts, since the elimination of the contaminant also occurs due to its adsorption in the porosity of the same, therefore, in liquid phase processes, the presence of an adequate volume of mesoporosity where the contaminant can be adsorbed is decisive.

Planteamiento del problema técnico Technical problem statement

Por tanto se requieren nuevos materiales foto-catalíticos que sean activos en el 30 espectro visible de la radiación electromagnética y con capacidad para suprimir la rápida combinación de electrones y huecos foto-generados, para su empleo en una variedad de aplicaciones medioambientales basadas en la luz solar, que abarcan desde celdas solares sensibilizadas por colorantes (DSC) hasta eliminación de contaminantes en fase acuosa o en fase gas. Por tanto, existe pues la necesidad de 35 proporcionar un método de síntesis de materiales foto-activos sencillo y económico que permita la obtención de materiales con propiedades texturales adecuadas y que Therefore, new photo-catalytic materials that are active in the visible spectrum of electromagnetic radiation and capable of suppressing the rapid combination of electrons and photo-generated holes are required for use in a variety of light-based environmental applications solar, ranging from dye-sensitized solar cells (DSC) to removal of contaminants in the aqueous phase or in the gas phase. Therefore, there is therefore a need to provide a simple and economical method of synthesis of photo-active materials that allows obtaining materials with adequate textural properties and that

sean activos en el espectro visible, preferiblemente, o con propiedades foto-catalíticas mejoradas usando radiación ultravioleta. they are active in the visible spectrum, preferably, or with enhanced photo-catalytic properties using ultraviolet radiation.

OBJETO DE LA INVENCIÓN OBJECT OF THE INVENTION

5  5

Los nuevos materiales sintetizados se han desarrollado con el fin de poder descomponer moléculas orgánicas contaminantes de las aguas o del aire, a través de un proceso más simple, más eficaz y menos costoso que los actualmente disponibles o implantados, lo cual radica en el empleo de radiación visible en lugar de otras radiaciones más energéticas como es la luz ultravioleta lo cual hace más costosos y 10 tediosos los procesos avanzados de descontaminación de las aguas. The new synthesized materials have been developed in order to be able to decompose polluting organic molecules of water or air, through a simpler, more efficient and less expensive process than those currently available or implanted, which is based on the use of visible radiation instead of other more energetic radiations such as ultraviolet light which makes the advanced processes of water decontamination more expensive and tedious.

El objeto de la presente invención consiste en la obtención de materiales compuestos carbón-óxido de zirconio activos bajo radiación visible y con propiedades foto-catalíticas mejoradas. El proceso de síntesis propuesto hace posible la obtención de 15 unos materiales con altas prestaciones como foto-catalizadores activos bajo luz visible, lo cual hace más sencillo y económicamente más viable este proceso de oxidación avanzada para la descontaminación de aguas y del aire, bien por el uso de radiación visible, o por el menor tiempo de empleo de radiación ultravioleta para la degradación del contaminante, y siendo sin lugar a dudas más foto-activos que otros materiales 20 comúnmente usados e implementados, por ejemplo, el óxido de titanio comercial, P25. The object of the present invention is to obtain carbon-zirconium oxide composite materials active under visible radiation and with improved photo-catalytic properties. The proposed synthesis process makes it possible to obtain 15 materials with high performance as active photocatalysts under visible light, which makes this advanced oxidation process easier for water and air decontamination, either by the use of visible radiation, or for the shortest period of use of ultraviolet radiation for the degradation of the contaminant, and being undoubtedly more photo-active than other materials commonly used and implemented, for example, commercial titanium oxide, P25

Los nuevos materiales sintetizados se han desarrollado con el fin de poder oxidar completamente las moléculas orgánicas que contaminan comúnmente el agua o el aire. Las propiedades foto-catalíticas del material permitirán un proceso de oxidación 25 más simple y menos costoso que los actualmente disponibles o implantados, lo cual radica en la posibilidad de empleo de radiación visible (luz solar) en lugar de otras radiaciones más energéticas como es la luz ultravioleta. El empleo de la radiación solar no solo reduce el consumo energético de los procesos de descontaminación sino que proporcionará, por ejemplo, de un método sencillo de descontaminación y 30 potabilización de aguas en países en vías de desarrollo. New synthesized materials have been developed in order to completely oxidize organic molecules that commonly pollute water or air. The photo-catalytic properties of the material will allow a more simple and less expensive oxidation process than those currently available or implanted, which is based on the possibility of using visible radiation (sunlight) instead of other more energetic radiation such as ultraviolet light. The use of solar radiation not only reduces the energy consumption of decontamination processes but will also provide, for example, a simple method of decontamination and water purification in developing countries.

La foto-catálisis es un proceso de oxidación avanzada que ya se emplea con éxito en la descontaminación de aire y agua. No obstante, tanto la mejora del proceso de tratamiento y/o purificación de aguas mediante foto-catálisis, como de los materiales 35 usados para tal fin, es, hoy por hoy, una de las líneas de investigación que más interés ha despertado entre la comunidad científica internacional. El dióxido de titanio es Photocatalysis is an advanced oxidation process that is already used successfully in air and water decontamination. However, both the improvement of the process of treatment and / or purification of water by photocatalysis, and of the materials used for this purpose, is, today, one of the lines of research that has aroused most interest among the International scientific community Titanium dioxide is

considerado el foto-catalizador por excelencia, pero el band gap (separación energética entre la banda de valencia y de conducción) de éste es de 3.2 eV, por tanto, se requiere radiación o luz UV (λ ≤ 387 nm) para producir la migración significativa de electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción, paso necesario para el proceso de fotocatálisis. Esto hace que estos procesos de 5 degradación sean costosos y tediosos pues requieren el uso de una radiación energética y relativamente peligrosa como es la luz ultravioleta. considered the photocatalyst par excellence, but the band gap (energy separation between the valence and conduction band) of this is 3.2 eV, therefore, radiation or UV light (λ ≤ 387 nm) is required to produce the migration significant electrons from the valence band to the conduction band, a necessary step for the photocatalysis process. This makes these degradation processes expensive and tedious as they require the use of energetic and relatively dangerous radiation such as ultraviolet light.

El primer objeto de la presente invención es un foto-catalizador de óxido de zirconio activo bajo la luz visible. Sorprendentemente, sin que el óxido de zirconio ni el xerogel 10 de carbón empleado como soporte sean foto-catalizadores, no habiéndose encontrado referencias que demuestren la foto-actividad de dichas fases puras y por separado, sorprendentemente, la combinación de ambos elementos da lugar a un foto-catalizador con actividad bajo luz visible. En particular se trata de foto-catalizadores, en adelante “foto-catalizadores de la invención”, que comprenden una fase de óxido de 15 zirconio formando un recubrimiento estable sobre un soporte de xerogel de carbón y que permiten el empleo de luz visible en los procesos de foto-eliminación de contaminantes, mejorando también sus propiedades foto-catalíticas bajo radiaciones de mayor longitudes de onda. The first object of the present invention is an active zirconium oxide photocatalyst under visible light. Surprisingly, without the zirconium oxide or carbon xerogel 10 used as support being photocatalysts, no references have been found that demonstrate the photo-activity of said pure phases and separately, surprisingly, the combination of both elements results in a photo-catalyst with activity under visible light. In particular, they are photocatalysts, hereinafter "photocatalysts of the invention", which comprise a 15 zirconium oxide phase forming a stable coating on a carbon xerogel support and allowing the use of visible light in the Photo-removal processes of pollutants, also improving their photo-catalytic properties under longer wavelength radiation.

20  twenty

Otro objeto de la presente invención consiste en un procedimiento, en adelante “procedimiento de la invención”, de obtención de xerogeles de carbón altamente dopados con óxido de zirconio exaltando su actividad foto-catalítica, lográndose un efecto sinérgico entre el carbón y el óxido de zirconio que permite el empleo de luz visible en los procesos de foto-eliminación de contaminantes, y mejorando también sus 25 propiedades foto-catalíticas bajo radiaciones de mayor longitud de onda. Another object of the present invention is a process, hereinafter "process of the invention", for obtaining highly doped carbon xerogels with zirconium oxide exalting its photo-catalytic activity, achieving a synergistic effect between the carbon and the oxide of zirconium that allows the use of visible light in the processes of photo-elimination of contaminants, and also improving its 25 photo-catalytic properties under radiations of greater wavelength.

Otro objeto de la invención es un procedimiento de obtención de foto-catalizadores mejorados que comprende un tratamiento adicional de los materiales de la invención a alta temperatura en atmósfera inerte. 30 Another object of the invention is a process for obtaining improved photo-catalysts comprising an additional treatment of the materials of the invention at high temperature in an inert atmosphere. 30

Otro objeto de la invención son los materiales obtenibles por dicho procedimiento, en adelante “foto-catalizadores mejorados de la invención”. Another object of the invention are the materials obtainable by said process, hereinafter "improved photocatalysts of the invention".

Finalmente, un último objeto de la invención es un procedimiento de eliminación de 35 contaminantes que comprende el uso de los materiales de la invención. Este procedimiento presenta ventajas sobre los existentes ya que, junto con la actividad Finally, a final object of the invention is a process for removing contaminants that comprises the use of the materials of the invention. This procedure has advantages over existing ones because, together with the activity

mejorada, permite la recuperación de estos materiales, ya que precipitan de forma espontánea al cesar la agitación de la suspensión. improved, it allows the recovery of these materials, since they precipitate spontaneously when the agitation of the suspension ceases.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS DESCRIPTION OF THE FIGURES

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Figura 1.- Representación gráfica de la cinética de adsorción del orange G en los materiales foto-catalíticos, P25 (◆) y CZr40 (●). Figure 1.- Graphical representation of the adsorption kinetics of orange G in photocatalytic materials, P25 (◆) and CZr40 (●).

Figura 2.- Isoterma de adsorción del orange G en los diferentes materiales foto-catalíticos, P25 (◆) y CZr40 (●). 10 Figure 2.- Adsorption isotherm of orange G in the different photo-catalytic materials, P25 (◆) and CZr40 (●). 10

Figura 3.- Representación gráfica de la cinética de degradación del orange G en los diferentes materiales foto-catalíticos bajo radiación visible, ZrO2 (▲), xerogel de carbón (○), P25 (◆) y CZr40 (●), y fotólisis (■). Figure 3.- Graphical representation of the degradation kinetics of orange G in the different photo-catalytic materials under visible radiation, ZrO2 (▲), carbon xerogel (○), P25 (◆) and CZr40 (●), and photolysis ( ■).

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Figura 4.- Representación gráfica de la evolución del carbono orgánico total (TOC) durante las experiencias de degradación del orange G bajo radiación visible usando P25 (◆) y CZr40 (●). Figure 4.- Graphical representation of the evolution of total organic carbon (TOC) during the degradation experiences of orange G under visible radiation using P25 (◆) and CZr40 (●).

20  twenty

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN DESCRIPTION OF THE INVENTION

Foto-catalizadores de zirconio Zirconium photocatalysts

El primer objeto de la invención se refiere a foto-catalizadores que comprenden una 25 fase carbonosa y otra de óxido de zirconio distribuidas ambas homogéneamente en el sólido, en adelante “foto-catalizadores de la invención”. The first object of the invention relates to photocatalysts comprising a carbonaceous phase and a zirconium oxide phase both homogeneously distributed in the solid, hereinafter "photocatalysts of the invention".

En una realización particular, la fase de óxido de zirconio está altamente dispersa en la fase carbonosa, concretamente de gel de carbón, y presenta tamaños de cristal 30 inferiores a 5 nm. In a particular embodiment, the zirconium oxide phase is highly dispersed in the carbonaceous phase, specifically carbon gel, and has crystal sizes less than 5 nm.

Contrariamente a lo que se anticipaba en el estado de la técnica, se han generado foto-catalizadores a partir de dos materiales que, por sí solos, no presentan actividad foto-catalítica. Además, estos foto-catalizadores son activos bajo luz visible y 35 presentan mejores propiedades foto-catalíticas bajo radiaciones de mayor longitudes de onda si se comparan con foto-catalizadores de referencia como el P25. En Contrary to what was anticipated in the state of the art, photo-catalysts have been generated from two materials that, by themselves, do not exhibit photo-catalytic activity. In addition, these photocatalysts are active under visible light and have better photocatalytic properties under radiations of greater wavelengths when compared with reference photocatalysts such as P25. In

particular, los foto-catalizadores de la invención son activos para la foto-degradación de contaminantes. In particular, the photocatalysts of the invention are active for photo-degradation of contaminants.

Procedimiento de obtención de foto-catalizadores de zirconio Procedure for obtaining zirconium photocatalysts

5  5

Otro objeto de la invención es un procedimiento, en adelante “procedimiento de la invención”, que permite obtener los foto-catalizadores de la invención. Another object of the invention is a process, hereinafter "process of the invention", which allows obtaining the photocatalysts of the invention.

El procedimiento de la invención permite obtener xerogeles de carbón altamente dopados con óxido de zirconio exaltando su actividad foto-catalítica, al lograr un efecto sinérgico entre el carbón y el óxido de zirconio.. 10 The process of the invention allows to obtain highly doped carbon xerogels with zirconium oxide exalting its photo-catalytic activity, by achieving a synergistic effect between the carbon and the zirconium oxide.

El procedimiento de la invención comprende las siguientes etapas: The process of the invention comprises the following steps:

1.- Preparación materiales compuestos xerogel de carbón-óxido de zirconio 1.- Preparation of xerogel carbon-zirconium oxide composite materials

(i) Obtención de un hidrogel compuesto, gel orgánico dopado con óxido de 15 zirconio a partir de un compuesto fenólico (R), un aldehído, (F) y un alcóxido de zirconio (A) (i) Obtaining a compound hydrogel, organic gel doped with 15 zirconium oxide from a phenolic compound (R), an aldehyde, (F) and a zirconium alkoxide (A)

(ii) Curado del hidrogel compuesto resultante de la etapa (i) (ii) Curing of the compound hydrogel resulting from step (i)

(iii) Secado del hidrogel compuesto resultante de la etapa (ii) mediante microondas en atmósfera inerte, dando lugar a un gel seco. 20 (iii) Drying of the hydrogel compound resulting from step (ii) by microwave in an inert atmosphere, resulting in a dry gel. twenty

(iv) Carbonización del gel seco resultante de la etapa (iii). (iv) Carbonization of the dry gel resulting from step (iii).

A diferencia de otros procedimientos conocidos, el procedimiento de la invención no emplea surfactante para la obtención del hidrogel. Unlike other known procedures, the process of the invention does not employ surfactant to obtain the hydrogel.

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En una realización particular, la obtención del hidrogel compuesto de la etapa (i) se lleva acabo a su vez a través de las siguientes etapas: In a particular embodiment, obtaining the hydrogel compound of step (i) is carried out in turn through the following steps:

(i) - Obtención del hidrogel compuesto gel orgánico - óxido de zirconio (i) - Obtaining the organic gel compound hydrogel - zirconium oxide

a) Preparar una solución del alcóxido de zirconio en un disolvente orgánico. 30 a) Prepare a solution of zirconium alkoxide in an organic solvent. 30

b) Calentar la solución (a) por debajo del punto de ebullición del disolvente orgánico, bajo agitación. b) Heat the solution (a) below the boiling point of the organic solvent, with stirring.

c) Preparar una solución acuosa que contenga un compuesto fenólico y un aldehído. c) Prepare an aqueous solution containing a phenolic compound and an aldehyde.

d) Adicionar gota a gota la solución acuosa del apartado (c) sobre la solución 35 de alcóxido obtenido en el apartado (b). d) Add the aqueous solution of section (c) dropwise onto the alkoxide solution 35 obtained in section (b).

e) Gelificación de la solución obtenida en el apartado (d) a temperatura constante hasta la obtención del hidrogel. e) Gelification of the solution obtained in section (d) at constant temperature until the hydrogel is obtained.

En una realización particular, el compuesto fenólico (R) empleado es resorcinol. In a particular embodiment, the phenolic compound (R) employed is resorcinol.

5  5

En otra realización particular, el aldehído (F) empleado es formaldehido. In another particular embodiment, the aldehyde (F) employed is formaldehyde.

En otra realización particular, el alcóxido de zirconio es propóxido de zirconio (IV). In another particular embodiment, the zirconium alkoxide is zirconium proproxide (IV).

El otra realización particular, la etapa de secado por microondas, iii), se realiza bajo 10 atmósfera inerte de argón, helio o nitrógeno, preferentemente argón. The other particular embodiment, the microwave drying step, iii), is performed under an inert atmosphere of argon, helium or nitrogen, preferably argon.

De forma preferente, el polímero orgánico recubierto con óxido de zirconio y seco en microondas, se carboniza (iv) también en flujo de gas inerte a temperaturas comprendidas entre 500-1200ºC, preferentemente 900ºC. 15 Preferably, the organic polymer coated with zirconium oxide and dried in microwave, is also carbonized (iv) in inert gas flow at temperatures between 500-1200 ° C, preferably 900 ° C. fifteen

En otra realización preferente, la temperatura de reacción que se alcanza en la sub-etapa b) del paso i) está comprendida entre 5 y 98ºC, preferentemente, 70ºC In another preferred embodiment, the reaction temperature that is reached in sub-stage b) of step i) is between 5 and 98 ° C, preferably 70 ° C

En otra realización preferente, la rampa de velocidad de carbonización de la etapa (iv) 20 es muy lenta, llegando hasta una temperatura de entre 500ºC y 1200ºC, más preferentemente a 900ºC, con un incremento de entre 0,1 y 25ºC por minuto, preferentemente con un incremento de 1ºC/min. In another preferred embodiment, the carbonization speed ramp of step (iv) 20 is very slow, reaching a temperature between 500 ° C and 1200 ° C, more preferably at 900 ° C, with an increase of between 0.1 and 25 ° C per minute, preferably with an increase of 1 ° C / min.

De forma preferente, tras alcanzar la temperatura máxima de carbonización, esta se 25 mantiene durante 2 horas.  Preferably, after reaching the maximum carbonization temperature, it is maintained for 2 hours.

La carbonización se realiza en atmósfera inerte, en particular de atmósfera de nitrógeno, helio, neón, argón, kriptón o xenón, preferentemente de nitrógeno. The carbonization is carried out in an inert atmosphere, in particular nitrogen, helium, neon, argon, krypton or xenon, preferably nitrogen.

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En una realización particular, se utiliza heptano como medio de reacción In a particular embodiment, heptane is used as the reaction medium

Procedimiento de eliminación de contaminantes Pollutant removal procedure

Otro objeto de la invención es un procedimiento para la eliminación por foto-35 degradación de contaminantes en disolución, en fase gas o líquida, preferentemente contaminantes orgánicos, que comprende la puesta en contacto de los materiales de Another object of the invention is a process for the elimination by photo-degradation of contaminants in solution, in gas or liquid phase, preferably organic pollutants, comprising the contacting of the materials of

la invención o de los materiales mejorados de la invención con la disolución que contenga dichos contaminantes bajo radiación en el espectro ultravioleta y visible. the invention or the improved materials of the invention with the solution containing said contaminants under radiation in the ultraviolet and visible spectrum.

En particular, es objeto de la invención un procedimiento de eliminación de contaminantes orgánicos en aguas caracterizado por utilizar radiación visible en 5 presencia de los foto-catalizadores de la invención. In particular, a method of removing organic pollutants in waters characterized by using visible radiation in the presence of the photocatalysts of the invention is the subject of the invention.

En una realización particular, el material empleado se encuentra en una proporción a partir de 0,1 mg/mL de suspensión, preferentemente 1mg/mL. In a particular embodiment, the material used is in a proportion from 0.1 mg / mL of suspension, preferably 1mg / mL.

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Junto con la mayor actividad de degradación conseguida con el uso de los foto-catalizadores de la invención, al cesar la agitación de la suspensión, los foto-catalizadores de la invención precipitan de forma espontánea, mientras que los foto-catalizadores conocidos permanecen en suspensión, y, consecuentemente, necesitan un proceso adicional de centrifugación para poder ser separados retirados. 15 Together with the greater degradation activity achieved with the use of the photocatalysts of the invention, when the stirring of the suspension ceases, the photocatalysts of the invention precipitate spontaneously, while the known photocatalysts remain in suspension. , and, consequently, they need an additional centrifugation process to be separated removed. fifteen

MODOS DE REALIZACIÓN REALIZATION MODES

A continuación se explican, a modo de ejemplos ilustrativos pero no limitantes, realizaciones prácticas de los materiales de la invención, del procedimiento objeto de 20 la presente patente y del uso del foto-catalizador obtenido. Next, by way of illustrative but not limiting examples, practical embodiments of the materials of the invention, the process object of the present patent and the use of the photo-catalyst obtained are explained.

Ejemplo 1: Foto-catalizadores gel de carbón – óxido de zirconio. Example 1: Photo-catalysts carbon gel - zirconium oxide.

La preparación de los geles se llevó a cabo utilizando resorcinol (R), formaldehido (F), 25 agua (W), y propóxido de zirconio (IV) como alcóxido metálico. La cantidad de propóxido de zirconio a utilizar se calcula en función de los diferentes porcentajes de óxido metálico, en peso, que se desea alcanzar en el carbonizado final suponiendo que todo el R y F reaccionan y una pérdida de peso del 50% tras la carbonización. The preparation of the gels was carried out using resorcinol (R), formaldehyde (F), water (W), and zirconium proproxide (IV) as metal alkoxide. The amount of zirconium propoxide to be used is calculated based on the different percentages of metal oxide, by weight, that is desired to be achieved in the final carbonized assuming that all R and F react and a 50% weight loss after carbonization .

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El propóxido de zirconio se disuelve en 500 ml de n-heptano, bajo agitación y a una temperatura de 70ºC. Sobre esta disolución, y manteniendo la agitación y temperatura, se adiciona lentamente una disolución acuosa de resorcinol y formaldehído en forma de disolución acuosa al 37%. La mezcla polimérica se mantiene en agitación y a 70ºC durante 24 horas para la polimerización y el curado de la muestra. Seguidamente, la 35 suspensión obtenida se filtra y el sólido recogido se intercambia con abundante acetona durante 5 días (2 intercambios al día) para intercambiar el agua del gel por Zirconium Propoxide is dissolved in 500 ml of n-heptane, under stirring and at a temperature of 70 ° C. On this solution, and maintaining the stirring and temperature, an aqueous solution of resorcinol and formaldehyde in the form of a 37% aqueous solution is slowly added. The polymer mixture is kept under stirring and at 70 ° C for 24 hours for polymerization and sample curing. Then, the suspension obtained is filtered and the collected solid is exchanged with abundant acetone for 5 days (2 exchanges per day) to exchange the gel water for

acetona y reducir el colapso de la porosidad en la fase de secado. Posteriormente, el sólido se seca usando microondas bajo atmósfera de argón a 300 W hasta pesada constante en periodos de 3 min. Finalmente, el gel seco se carboniza a 900ºC en atmósfera de argón durante 2 horas. acetone and reduce the collapse of the porosity in the drying phase. Subsequently, the solid is dried using microwave under an argon atmosphere at 300 W until constant weighing in periods of 3 min. Finally, the dry gel is carbonized at 900 ° C under argon for 2 hours.

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Siguiendo el procedimiento de síntesis que se acaba de describir, y concretamente, cuando las cantidades de reactivos empleadas fueron 24.8 gramos de R, 36.4 gramos de F, 33.4 gramos de agua y 18.2, 31.1 o 48.5 gramos de propóxido de zirconio, se obtiene un material compuestos de xerogel de carbón-óxido de zirconio con una carga real de óxido de zirconio en el carbonizado de 24,1, 34,3 y 45,1 % en peso, 10 respectivamente, en adelante CZr20, CZr30, CZr40 que presentan las características recogidas en la Tabla 1. Following the synthesis procedure just described, and specifically, when the amounts of reagents used were 24.8 grams of R, 36.4 grams of F, 33.4 grams of water and 18.2, 31.1 or 48.5 grams of zirconium propylene, a Carbon-zirconium oxide xerogel composites with a real charge of zirconium oxide in the carbonized of 24.1, 34.3 and 45.1% by weight, 10 respectively, hereinafter CZr20, CZr30, CZr40 presenting the characteristics listed in Table 1.

Carbon  Coal
SBET m2·g-1 W0 (N2) cm3·g-1 W0 (CO2) cm3·g-1 L0 (N2) nm L0 (CO2) nm VDFT cm3·g-1 Smic (CO2) m2·g-1 V0,95 cm3·g-1  SBET m2 · g-1 W0 (N2) cm3 · g-1 W0 (CO2) cm3 · g-1 L0 (N2) nm L0 (CO2) nm VDFT cm3 · g-1 Smic (CO2) m2 · g-1 V0 , 95 cm3 · g-1

ZrO2  ZrO2
4 0,002 0,040 2,46 2,10 0,072 38 0,050  4 0.002 0.040 2.46 2.10 0.072 38 0.050

CZr20  CZr20
353 0,138 0,213 0,85 0,56 0,090 759 0,204  353 0.138 0.213 0.85 0.56 0.090 759 0.204

CZr30  CZr30
331 0,127 0,183 0,97 0,55 0,321 658 0,430  331 0.127 0.183 0.97 0.55 0.321 658 0.430

CZr40  CZr40
409 0,162 0,156 1,17 0,58 0,802 582 0,978  409 0.162 0.156 1.17 0.58 0.802 582 0.978

TiO2 (P25)  TiO2 (P25)
57 0,006 - - - 0,080 - 0,118  57 0.006 - - - 0.080 - 0.118

Tabla 1. Características texturales de los foto-catalizadores de carbón-óxido de zirconio y óxidos inorgánicos. 15 Table 1. Textural characteristics of the photo-catalysts of carbon-zirconium oxide and inorganic oxides. fifteen

Ejemplo 2: Obtención de foto-catalizadores mejorados. Example 2: Obtaining improved photo-catalysts.

Los foto-catalizadores obtenidos en el ejemplo 1 se someten a un post-tratamiento en atmósfera de He, N2, Ar o H2 durante 12 h a 400ºC con una rampa de calentamiento de 5ºC/min antes de ser empleados en el sistema foto-catalítico. Además, óxido de 20 titanio (P25) de Degussa® se emplea como material de referencia, el cual se somete al mismo post-tratamiento que los materiales compuestos. The photocatalysts obtained in Example 1 are subjected to a post-treatment in the atmosphere of He, N2, Ar or H2 for 12 h at 400 ° C with a heating ramp of 5 ° C / min before being used in the photo-catalytic system. In addition, Degussa® titanium oxide (P25) is used as a reference material, which is subjected to the same post-treatment as composite materials.

Ejemplo 3: Degradación foto-catalítica del colorante Orange G bajo radiación visible. 25 Example 3: Photo-catalytic degradation of the Orange G dye under visible radiation. 25

Los foto-catalizadores preparados según ejemplos 1 y 2 son útiles para la degradación de contaminantes orgánicos de las aguas empleando radiación visible. Para ilustrar su aplicación, se utilizó el compuesto Orange G como molécula de prueba. The photocatalysts prepared according to examples 1 and 2 are useful for the degradation of organic pollutants from water using visible radiation. To illustrate its application, the Orange G compound was used as a test molecule.

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Orange G Orange g

La foto-degradación se realizó empleado una lámpara de luz visible de 10-14 W de potencia, una concentración inicial de orange G en agua de 10 mg/l (tras la saturación 5 del material), 250 ml de disolución y una concentración de foto-catalizador de 1 mg/ml. La evolución de la foto-degradación se realizó tomando alícuotas de muestra cada cierto tiempo siendo analizados mediante espectrofotometría UV a una λ= 487 nm. La metodología seguida se detalla a continuación: The photo-degradation was performed using a visible light lamp of 10-14 W of power, an initial concentration of orange G in water of 10 mg / l (after saturation 5 of the material), 250 ml of solution and a concentration of 1 mg / ml photocatalyst. The evolution of the photo-degradation was performed by taking aliquots of the sample from time to time being analyzed by UV spectrophotometry at λ = 487 nm. The methodology followed is detailed below:

1.- Se realiza la cinética de adsorción del colorante sobre el material foto-catalítico de 10 donde se obtiene el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio de adsorción. Para ello, 250 mg de material se introduce en 250 ml de una disolución de 20 mg/l de colorante en oscuridad y agitación. Se toman alícuotas de solución cada cierto tiempo hasta concentración de colorante constante (medida por espectroscopía UV). 1.- The adsorption kinetics of the dye are performed on the photo-catalytic material of 10 where the time necessary to reach the adsorption equilibrium is obtained. To do this, 250 mg of material is introduced into 250 ml of a solution of 20 mg / l of dye in the dark and stirring. Aliquots of solution are taken every so often until constant dye concentration (measured by UV spectroscopy).

2.- Se realiza la isoterma de adsorción para calcular la capacidad de adsorción del 15 material, para lo cual 25 mg de muestra se introduce en 25 ml de soluciones de concentración comprendida entre 5 y 50 mg/ml de colorante, bajo oscuridad y agitación. Tras el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio (calculado mediante el paso 1) las soluciones se filtran y se mide la concentración mediante espectroscopía UV. Mediante la aplicación de la isoterma de Langmuir se obtiene la capacidad de 20 adsorción de la muestra. 2.- The adsorption isotherm is performed to calculate the adsorption capacity of the material, for which 25 mg of sample is introduced into 25 ml of solutions with a concentration between 5 and 50 mg / ml of dye, under darkness and agitation . After the time necessary to reach equilibrium (calculated by step 1) the solutions are filtered and the concentration is measured by UV spectroscopy. The adsorption capacity of the sample is obtained by applying the Langmuir isotherm.

3. Se realiza la saturación del material bajo oscuridad y en agitación. Para ello se adicionan 250 mg de muestra tratada a un 250 ml de una solución de concentración adecuada para que tras la saturación la concentración residual sea 10 mg/ml. 3. Saturation of the material is carried out under darkness and in agitation. For this, 250 mg of treated sample are added to 250 ml of a solution of suitable concentration so that after saturation the residual concentration is 10 mg / ml.

4. Se realiza la foto-degradación bajo luz visible, siguiendo la evolución de la 25 degradación mediante la toma de alícuotas cada cierto tiempo midiendo su concentración mediante espectroscopía UV. 4. Photo-degradation is performed under visible light, following the evolution of degradation by taking aliquots from time to time by measuring its concentration by UV spectroscopy.

5. Se estudia la evolución del carbón orgánico total (TOC) presente en la disolución durante la experiencia de foto-degradación para analizar el grado de mineralización del contaminante. Dicho grado de mineralización fue medido mediante un analizador 30 5. The evolution of total organic carbon (TOC) present in the solution during the photo-degradation experience is studied to analyze the degree of mineralization of the contaminant. Said degree of mineralization was measured by an analyzer 30

Shimadzu V-CSH, calculando el TOC presente en las muestras de agua mediante la eliminación del valor del carbón inorgánico al valor del carbón total. Shimadzu V-CSH, calculating the TOC present in water samples by eliminating the value of inorganic carbon to the value of total coal.

Ejemplo 4: Degradación foto-catalítica del colorante Orange G bajo radiación ultravioleta. 5 Example 4: Photo-catalytic degradation of the Orange G dye under ultraviolet radiation. 5

Los foto-catalizadores preparados según ejemplos 1 y 2 son útiles para la degradación de contaminantes orgánicos de las aguas empleando radiación ultravioleta. Para ilustrar su aplicación, se utilizó el compuesto Orange G como molécula de prueba. 10 The photocatalysts prepared according to examples 1 and 2 are useful for the degradation of organic pollutants from water using ultraviolet radiation. To illustrate its application, the Orange G compound was used as a test molecule. 10

La foto-degradación se realizó empleado una lámpara de luz de vapor de mercurio de baja presión de 15 W de potencia que irradia a una λ= 250 nm, una concentración inicial de orange G en agua de 10 mg/l (tras la saturación del material), 250 ml de disolución y una concentración de foto-catalizador de 1 mg/ml. La evolución de la foto-15 degradación se realizó tomando alícuotas de muestra cada cierto tiempo siendo analizados mediante espectrofotometría UV a una λ= 487 nm. La metodología seguida se detalla a continuación: The photo-degradation was performed using a low pressure mercury vapor light lamp of 15 W of power radiating at λ = 250 nm, an initial concentration of orange G in water of 10 mg / l (after saturation of the material), 250 ml of solution and a photocatalyst concentration of 1 mg / ml. The evolution of the photo-15 degradation was performed by taking sample aliquots from time to time being analyzed by UV spectrophotometry at λ = 487 nm. The methodology followed is detailed below:

1.- Se realiza la cinética de adsorción del colorante sobre el material foto-catalítico de donde se obtiene el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio de adsorción. Para 20 ello, 250 mg de material se introduce en 250 ml de una disolución de 20 mg/l de colorante en oscuridad y agitación. Se toman alícuotas de solución cada cierto tiempo hasta concentración de colorante constante (medida por espectroscopía UV). 1.- The adsorption kinetics of the dye are carried out on the photo-catalytic material from which the time necessary to reach the adsorption equilibrium is obtained. To do this, 250 mg of material is introduced into 250 ml of a solution of 20 mg / l of dye in darkness and stirring. Aliquots of solution are taken every so often until constant dye concentration (measured by UV spectroscopy).

2.- Se realiza la isoterma de adsorción para calcular la capacidad de adsorción del material, para lo cual 25 mg de muestra se introduce en 25ml de soluciones de 25 concentración comprendida entre 5 y 50 mg/ml de colorante, bajo oscuridad y agitación. Tras el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio (calculado mediante el paso 1) las soluciones se filtran y se mide la concentración mediante espectroscopía UV. Mediante la aplicación de la isoterma de Langmuir se obtiene la capacidad de adsorción de la muestra. 30 2.- The adsorption isotherm is performed to calculate the adsorption capacity of the material, for which 25 mg of sample is introduced into 25ml of solutions of a concentration between 5 and 50 mg / ml of dye, under darkness and agitation. After the time necessary to reach equilibrium (calculated by step 1) the solutions are filtered and the concentration is measured by UV spectroscopy. The adsorption capacity of the sample is obtained by applying the Langmuir isotherm. 30

3. Se realiza la saturación del material bajo oscuridad y en agitación. Para ello se adicionan 250 mg de muestra tratada a un 250 ml de una solución de concentración adecuada para que tras la saturación la concentración residual sea 10 mg/ml. 3. Saturation of the material is carried out under darkness and in agitation. For this, 250 mg of treated sample are added to 250 ml of a solution of suitable concentration so that after saturation the residual concentration is 10 mg / ml.

4. Se realiza la foto-degradación bajo luz ultravioleta, siguiendo la evolución de la degradación mediante la toma de alícuotas cada cierto tiempo midiendo su 35 concentración mediante espectroscopía UV. 4. Photo-degradation is performed under ultraviolet light, following the evolution of degradation by taking aliquots from time to time by measuring its concentration by UV spectroscopy.

5. Se estudia la evolución del carbón orgánico total (TOC) presente en la disolución durante la experiencia de foto-degradación para analizar el grado de mineralización del contaminante. Dicho grado de mineralización fue medido mediante un analizador Shimadzu V-CSH, calculando el TOC presente en las muestras de agua mediante la eliminación del valor del carbón inorgánico al valor del carbón total. 5 5. The evolution of total organic carbon (TOC) present in the solution during the photo-degradation experience is studied to analyze the degree of mineralization of the contaminant. Said degree of mineralization was measured by a Shimadzu V-CSH analyzer, calculating the TOC present in the water samples by eliminating the value of inorganic carbon to the value of total coal. 5

MODO DE REALIZACIÓN PREFERIDO PREFERRED EMBODIMENT

Ejemplo 5.- Degradación foto-catalítica de Orange G empleando materiales compuestos xerogel de carbón-óxido de zirconio como foto-catalizadores bajo 10 irradación con luz visible o ultravioleta. Example 5.- Photo-catalytic degradation of Orange G using xerogel carbon-zirconium oxide composites as photo-catalysts under irration with visible or ultraviolet light.

Se ha utilizado el sistema experimental foto-catalítico y la metodología descrita en ejemplo 3 y 4 trabajando en modo discontinuo. Como catalizador se ha utilizado los materiales descritos según ejemplos 1 y 2. 15 The experimental photo-catalytic system and the methodology described in example 3 and 4 have been used in discontinuous mode. The materials described according to examples 1 and 2 have been used as catalyst.

A efectos comparativos se probó el foto-catalizador más empleado industrialmente, óxido de titanio, P25, de Degussa®. For comparative purposes, the most industrially used photocatalyst, titanium oxide, P25, from Degussa® was tested.

Previamente, se realiza la cinética y la isoterma de adsorción del orange G en los materiales tratados datos recogidos en Figuras 1 y 2, respectivamente. Se observa 20 como la capacidad de adsorción del material compuesto es mucho mayor que el del P25 debido al mayor volumen de poros de este (Tabla 1). Una vez obtenido el tiempo de equilibrio de la cinética y la capacidad de adsorción de la isoterma (Figuras 1 y 2), se procede a la degradación foto-catalítica (Figura 3). Además se realiza la fotólisis del colorante en ausencia de material para asegurar que la degradación producida es 25 debida a la presencia del catalizador. Previously, the kinetics and adsorption isotherm of orange G are performed in the materials treated data collected in Figures 1 and 2, respectively. It is observed how the adsorption capacity of the composite material is much greater than that of P25 due to the greater pore volume of this (Table 1). Once the equilibrium time of the kinetics and the adsorption capacity of the isotherm is obtained (Figures 1 and 2), the photo-catalytic degradation is carried out (Figure 3). In addition, the photolysis of the dye is performed in the absence of material to ensure that the degradation produced is due to the presence of the catalyst.

Se observa que el orange G no se degrada bajo luz visible en ausencia de catalizador. Con el uso del óxido de titanio pretratada en H2 como foto-catalizador se obtiene a 170 min una degradación del orange G de alrededor de un 35 % mientras que para el 30 material compuesto xerogel de carbón-óxido de zirconio es de 77 %, mientras que el óxido de zirconio como el xerogel de carbón no presentan actividad foto-catalítica bajo radiación visible (Figura 3). Obteniéndose un claro efecto sinérgico entre el C y el óxido metálico. It is noted that orange G does not degrade under visible light in the absence of catalyst. With the use of the titanium oxide pretreated in H2 as a photocatalyst, a degradation of the orange G of about 35% is obtained at 170 min, while for the xerogel carbon-zirconium oxide composite material it is 77%, while that zirconium oxide such as carbon xerogel does not show photo-catalytic activity under visible radiation (Figure 3). Obtaining a clear synergistic effect between C and metal oxide.

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El análisis del TOC, muestra que la degradación de la muestra mediante radiación visible se realiza hasta la mineralización completa del contaminante pues el TOC sigue The TOC analysis shows that the degradation of the sample by visible radiation is carried out until the complete mineralization of the contaminant because the TOC continues

la misma tendencia que la eliminación del contaminante, alcanzado una reducción del 70 % a los 170 min para el material compuesto xerogel de carbón-óxido de zirconio y únicamente un 25 % para el P25 (Figura 4). Esto es un aspecto importante, pues quiere decir que no se generan intermedios de oxidación, que en general, son más contaminantes que el propio contaminante de partida. 5 the same trend as the removal of the contaminant, achieved a reduction of 70% at 170 min for the xerogel carbon-zirconium oxide composite material and only 25% for P25 (Figure 4). This is an important aspect, because it means that no oxidation intermediates are generated, which in general are more polluting than the starting contaminant itself. 5

Bajo luz ultravioleta se observa que en este caso debido al uso de una radiación más energética el tiempo necesario para la degradación total es menor a 30 min. Se ve como el P25 mejora pero levemente la degradación del contaminante. En cuanto al material compuesto carbón-óxido de zirconio la mejora es significativamente mayor 10 alcanzándose a los 9 min una degradación del 80 %. Por tanto, las prestaciones del material compuesto son significativamente mayores tanto bajo luz ultravioleta como luz visible, pudiendo ser usados en un mayor rango de longitudes de onda. Under ultraviolet light it is observed that in this case due to the use of more energetic radiation the time necessary for total degradation is less than 30 min. It looks like the P25 improves but slightly the degradation of the contaminant. As for the carbon-zirconium oxide composite, the improvement is significantly greater, reaching 80% degradation after 9 min. Therefore, the performance of the composite material is significantly higher both under ultraviolet and visible light, and can be used in a wider range of wavelengths.

Como se ha comentado en la introducción para el uso de óxidos semiconductores, 15 como el óxido de titanio, en la foto-degradación con luz visible se necesita una reducción del band-gap o el uso de un sensibilizador eficiente. Estos resultados ponen de manifiesto que el gel de carbón actúa como fotosensibilizador eficiente. As mentioned in the introduction for the use of semiconductor oxides, such as titanium oxide, in the photo-degradation with visible light a reduction of the band-gap or the use of an efficient sensitizer is required. These results show that the carbon gel acts as an efficient photosensitizer.

Además se facilita la adsorción de los reactivos debido a la mayor superficie de los 20 materiales compuestos frente al P25 facilitando la interacción de estos con los centros activos y por tanto, su degradación.  In addition, the adsorption of the reagents is facilitated due to the greater surface area of the 20 composite materials compared to the P25, facilitating their interaction with the active centers and therefore, their degradation.

Por otro lado, el empleo de estos materiales compuestos facilita la dispersión del óxido de zirconio de modo que reduce la posibilidad de la recombinación hueco-electrón, la 25 cual, es mayor a mayores tamaños de partícula, ya que si el tamaño de partícula es pequeño la distancia que el electrón o el hueco foto-generado debe recorrer hasta la superficie para la reacción redox es menor y por tanto menor es la posibilidad de recombinación, aumentando la actividad foto-catalítica del material compuesto, en nuestro caso: los tamaños de cristal del óxido de zirconio son menores a 5 nm frente a 30 los tamaños de cristal de 30 nm que contiene el P25 o 40 nm del óxido de zirconio. On the other hand, the use of these composite materials facilitates the dispersion of zirconium oxide so that it reduces the possibility of hollow-electron recombination, which is larger at larger particle sizes, since if the particle size is Small the distance that the electron or the photo-generated hole must travel to the surface for the redox reaction is less and therefore less is the possibility of recombination, increasing the photo-catalytic activity of the composite material, in our case: the sizes of Zirconium oxide crystals are less than 5 nm versus 30 sizes of 30 nm crystal containing the P25 or 40 nm of zirconium oxide.

La mejor dispersión del óxido de zirconio (observado por difracción de rayos X) debido a la alta superficie del material carbonoso permite una mayor generación de vacantes de oxigeno o óxidos parcialmente reducibles que reducen el band-gap permitiendo la 35 degradación mediante el uso de luz visible. Además, la fase del óxido de zirconio The better dispersion of zirconium oxide (observed by X-ray diffraction) due to the high surface area of the carbonaceous material allows a greater generation of oxygen vacancies or partially reducible oxides that reduce the band-gap allowing the degradation through the use of light visible. In addition, the zirconium oxide phase

observada mediante difracción de rayos es la cúbica, la cual puede ser responsable de la reducción del band-gap y por tanto, de sus excelentes prestaciones bajo luz visible. observed by means of ray diffraction is the cubic one, which can be responsible for the reduction of the band-gap and therefore, of its excellent performance under visible light.

Además con el uso de óxido de zirconio se ha abierto una nueva posibilidad de materiales tan eficientes, e incluso con prestaciones mejoradas, como los de óxido de 5 titanio en aplicaciones foto-catalíticas. In addition with the use of zirconium oxide, a new possibility of such efficient materials has been opened, and even with improved performance, such as those of 5 titanium oxide in photo-catalytic applications.

En el balance global de eliminación del contaminante, los materiales compuestos xerogel de carbón-óxido inorgánico sintetizados muestran mejores prestaciones pues además debe considerarse la eliminación del contaminante por adsorción, y en este 10 sentido debido a la presencia de la fase carbonosa se mejoran las propiedades texturales de la fase inorgánica favoreciéndose la adsorción de éste. Por tanto, el material compuesto xerogel de carbón-óxido de zirconio es el que presenta las mejores prestaciones tanto de degradación como de adsorción. Además, el volumen de mesoporos se incrementa con el aumento del % de óxido de zirconio presente en la 15 fase carbonosa incrementándose su capacidad de adsorción In the global contaminant elimination balance, the xerogel composites of synthesized inorganic carbon-oxide show better performance because the removal of the contaminant by adsorption must also be considered, and in this sense due to the presence of the carbon phase the properties are improved textural of the inorganic phase favoring its adsorption. Therefore, the xerogel carbon-zirconium oxide composite material has the best degradation and adsorption performance. In addition, the volume of mesopores increases with the increase in% of zirconium oxide present in the carbon phase, increasing its adsorption capacity

Claims (16)

REIVINDICACIONES 1.- Foto-catalizador que comprende una fase carbonosa y otra de óxido de zirconio, distribuidas ambas homogéneamente en el sólido. 1. Photo-catalyst comprising a carbonaceous phase and a zirconium oxide phase, both homogeneously distributed in the solid. 5  5 2.- Foto-catalizador según reivindicación anterior caracterizado por ser activo bajo luz visible. 2. Photocatalyst according to the preceding claim characterized by being active under visible light. 3.- Foto-catalizador según reivindicaciones 1 ó 2 caracterizado porque la fase de óxido de zirconio dispersa sobre la fase de gel de carbón presenta tamaños de cristal 10 inferiores a 5 nm. 3. Photocatalyst according to claims 1 or 2, characterized in that the zirconium oxide phase dispersed on the carbon gel phase has crystal sizes of less than 5 nm. 4.- Procedimiento de obtención de materiales compuestos de gel de carbón – óxido de zirconio que comprende las siguientes etapas: 4.- Procedure for obtaining carbon gel composite materials - zirconium oxide comprising the following steps: 15  fifteen (i) Obtención de un hidrogel compuesto, gel orgánico dopado con óxido de zirconio a partir de un compuesto fenólico (R), un aldehído, (F) y un alcóxido de zirconio (A). (i) Obtaining a compound hydrogel, organic gel doped with zirconium oxide from a phenolic compound (R), an aldehyde, (F) and a zirconium alkoxide (A). (ii) Curado del hidrogel compuesto resultante de la etapa (i) (ii) Curing of the compound hydrogel resulting from step (i) (iii) Secado del hidrogel compuesto resultante de la etapa (ii) mediante 20 microondas en atmósfera de argón dando lugar a un gel seco. (iii) Drying of the hydrogel compound resulting from step (ii) by microwave in an argon atmosphere giving rise to a dry gel. (iv) Carbonización del gel seco resultante de la etapa (iii). (iv) Carbonization of the dry gel resulting from step (iii). 5.- Procedimiento según reivindicación anterior caracterizado porque la etapa i) comprende, a su vez, las siguientes sub-etapas: 25 5. Method according to previous claim characterized in that step i) comprises, in turn, the following sub-stages: a) Preparación de una solución del alcóxido se zirconio en un disolvente orgánico a) Preparation of a solution of alkoxide was zirconium in an organic solvent b) Calentamiento de la solución (a) por debajo del punto de ebullición del disolvente orgánico, bajo agitación. b) Heating the solution (a) below the boiling point of the organic solvent, with stirring. c) Preparación de una solución acuosa que contenga un compuesto fenólico y 30 un aldehído. c) Preparation of an aqueous solution containing a phenolic compound and an aldehyde. d) Adición gota a gota la solución acuosa del apartado (c) sobre la solución de alcóxido obtenido en el apartado (b). d) Add dropwise the aqueous solution of section (c) on the alkoxide solution obtained in section (b). e) Gelificación de la solución obtenida en el apartado (d) a temperatura constante hasta la obtención del hidrogel 35 e) Gelification of the solution obtained in section (d) at constant temperature until hydrogel is obtained 35 6.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 5, caracterizado porque el disolvente empleado es heptano. 6. Method according to any of claims 4 to 5, characterized in that the solvent used is heptane. 7.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque el compuesto fenólico (R) empleado es resorcinol. 5 7. Method according to any of claims 4 to 6, characterized in that the phenolic compound (R) used is resorcinol. 5 8.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado porque el aldehído (F) empleado es formaldehido. 8. Method according to any of claims 4 to 7, characterized in that the aldehyde (F) used is formaldehyde. 9.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 8, caracterizado porque 10 el alcóxido de zirconio es propóxido de zirconio (IV). 9. Method according to any of claims 4 to 8, characterized in that the zirconium alkoxide is zirconium proproxide (IV). 10.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 9, caracterizado por mantener durante todo el proceso una temperatura constante comprendida entre 5 y 98ºC, preferentemente 70ºC 15 10. Method according to any of claims 4 to 9, characterized by maintaining throughout the process a constant temperature between 5 and 98 ° C, preferably 70 ° C 15 11.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 10, caracterizado porque el polímero orgánico recubierto con óxido de zirconio y seco en microondas, se carboniza (iv) en flujo de gas inerte a temperaturas comprendidas entre 500-1200ºC, preferentemente a 900ºC. 20 11. Method according to any of claims 4 to 10, characterized in that the organic polymer coated with zirconium oxide and dried in microwave, is charred (iv) in inert gas flow at temperatures between 500-1200 ° C, preferably at 900 ° C. twenty 12.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 11, caracterizado porque la rampa de velocidad de carbonización llega hasta una temperatura de entre 500ºC y 1200ºC, más preferentemente a 900ºC, con un incremento de entre 0,1 y 25ºC por minuto, preferentemente con un incremento de 1ºC/min. 25 12. Method according to any of claims 4 to 11, characterized in that the carbonization speed ramp reaches a temperature between 500 ° C and 1200 ° C, more preferably at 900 ° C, with an increase of between 0.1 and 25 ° C per minute, preferably with an increase of 1ºC / min. 25 13.- Procedimiento para la obtención de foto-catalizadores mejorados que comprende someter un foto-catalizador según reivindicaciones 1 a 3 a un tratamiento a temperaturas entre 100 y 600ºC en atmósfera de He, N2, Ar o H2, o con cualquier mezcla formada entre estos gases. 30 13. Process for obtaining improved photocatalysts comprising subjecting a photocatalyst according to claims 1 to 3 to a treatment at temperatures between 100 and 600 ° C in an atmosphere of He, N2, Ar or H2, or with any mixture formed between these gases. 30 14.- Foto-catalizadores obtenibles por el procedimiento según reivindicación anterior. 14.- Photo-catalysts obtainable by the method according to the preceding claim. 15.- Procedimiento de foto-degradación de compuestos orgánicos en disolución, en fase gas o líquida, que comprende la puesta en contacto de los foto-catalizadores 35 según reivindicaciones 1 a 3 o 14 con la suspensión que contenga dichos compuestos bajo radiación en el espectro visible y ultravioleta. 15.- Photo-degradation process of organic compounds in solution, in gas or liquid phase, comprising bringing the photocatalysts 35 according to claims 1 to 3 or 14 into contact with the suspension containing said compounds under radiation in the visible and ultraviolet spectrum. 16.- Procedimiento según reivindicación anterior aplicado a la eliminación de contaminantes orgánicos en aguas caracterizado por utilizar radiación visible en presencia de los foto-catalizadores. 16.- Method according to previous claim applied to the elimination of organic pollutants in waters characterized by using visible radiation in the presence of photocatalysts.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080206562A1 (en) * 2007-01-12 2008-08-28 The Regents Of The University Of California Methods of generating supported nanocatalysts and compositions thereof
KR20130023328A (en) * 2013-02-18 2013-03-07 전남대학교산학협력단 Photocatalyst-graphenes-carbon nano-fiber composite and filter comprising the same
CN103908957A (en) * 2013-11-15 2014-07-09 大连理工大学 Preparation method of C-TixZr(1-x)O2 nano particle catalyst for degrading methylbenzene

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080206562A1 (en) * 2007-01-12 2008-08-28 The Regents Of The University Of California Methods of generating supported nanocatalysts and compositions thereof
KR20130023328A (en) * 2013-02-18 2013-03-07 전남대학교산학협력단 Photocatalyst-graphenes-carbon nano-fiber composite and filter comprising the same
CN103908957A (en) * 2013-11-15 2014-07-09 大连理工大学 Preparation method of C-TixZr(1-x)O2 nano particle catalyst for degrading methylbenzene

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BEKYAROVA, E. et al. ¿Microporous Nature of Ce,Zr-Doped Carbon aerogels¿. Langmuir 1999, Vol. 15, páginas 7119-7121. Ver Resumen; Sección Experimental. *
MATSUI, H. et al. ¿The effect of surface area on the photo-catalytic behavior of ZrO2/carbon clusters composite materials¿. Ceramics International, 2013, Vol. 39, páginas 5827-5831. Ver Resumen, apartados 1 y 4. *

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