Diseño de nanoestructuras de TiO2 para incrementar su eficiencia como fotocatalizador

Abstract

[ES] A causa de la problemática energética y la sobreexplotación de los recursos naturales, es interesante encontrar nuevos combustibles cuya generación provenga de fuentes de energía renovables, como es el caso del hidrógeno obtenido por vía fotoelectroquímica empleando la energía solar como fuente de energía. Para la formación de hidrógeno por este método, se está investigando el empleo de nanotubos como fotocatalizadores. Sin embargo, estas nanoestructuras presentan en ocasiones bajas eficiencias y, por tanto, actualmente se debe solventar este problema antes de trasladar esta técnica a grandes niveles de producción.

Por este motivo, esta investigación se centrará en mejorar las propiedades fotoelectroquímicas de los nanotubos de TiO2 obtenidos mediante anodizado electroquímico en condiciones hidrodinámicas de flujo, a través de la transformación de su estructura cristalina por calentamiento en distintas atmósferas controladas de: aire, argón y nitrógeno.

La carecterización de las nanoestructuras de TiO2 se llevará a cabo mediante Microscopía Electrónica de Barrido de emisión de campo y Microscopía Raman confocal. Posteriormente, se caracterizarán sus propiedades electroquímicas y fotoelectroquímicas mediante la técnica de fotón incidente-electrón generado y a partir de la producción fotoelectroquímica de hidrógeno en base a la rotura de la molécula del agua. Además, se estudiará su estabilidad frente a la fotocorrosión.

Los resultados obtenidos han demostrado una mejor respuesta de los fotocatalizadores aplicados a la producción de hidrógeno al ser calentados en atmósfera de argón y de nitrógeno con respecto al uso de la atmósfera de aire. Esto es debido al mayor número de vacantes de oxígeno que aparecen durante el calentamiento en atmósfera de argón y la incorporación del nitrógeno a la matriz de TiO2 durante el tratamiento térmico en atmósfera de nitrógeno.

[EN] Because of the energy problems and the overexploitation of natural resources, it is interesting to find new combustible whose generation comes from renewable energy sources, such as hydrogen obtained through photoelectrochemical processes using solar power as the energy source. To from hydrogen from this method we use TiO2 nanotubes as the photocatalysts. Nevertheless, these nanostructures present disadvantages in their efficiency so that it is necessary to improve the efficiency before high levels of production.

For this reason, this research will focus on the photoeletrochemical propeties of the TiO2 nanotubes by means of anodization using hydrodynamic conditions. Annealing was carried out using air, argon and nitrogen transforming the amorphous structure to a crystalline structure.

Subsequently, the characterization of TiO2 nanostructures have been carried out by Field Emission Scanning Electron Microscope and Raman confocal microscopy technique. While for the study of the process efficiency, incident photon to current efficiency technique was used and the photoelectrochemical production of hydrogen was based on the splitting water. In addition, the photo-corrosion resistant test was also performed.

The results obtained have shown a better response of the photocatalysts applied to the production of hydrogen which are heated in argon and nitrogen atmospheres, with respect to the use the air atmosphere in the thermal treatment. This is due to the oxygen vacancies that appear during the heating in argon atmosphere and to the adding of nitrogen to the TiO2 lattice during the thermal treatment in nitrogen atmosphere.