Diseño de nuevas nanoestructuras híbridas de TiO2-WO3 modificadas con ácido citrico para aplicaciones energéticas y medioambientales

Abstract

[ES] Los nanotubos de dióxido de titanio (TiO2) tienen cada vez un mayor interés a nivel científico en virtud de sus excelentes propiedades y aplicación en diferentes campos como la fotocatálisis, celdas solares fotosensibilizadas por colorante o biomedicina. A pesar de ello, la eficiencia de los nanotubos de TiO2 está limitada por su elevado valor de banda prohibida, lo que hace que solo absorban energía de un pequeño rango del espectro solar. Para intentar disminuir esta banda prohibida se va a realizar la síntesis de nanoestructuras híbridas de TiO2 con otro óxido metálico semiconductor (concretamente el WO3), permitiendo así una mayor absorción de luz solar. Además, en el presente Trabajo Final de Máster, se pretende ir un poco más allá en la investigación y optimizar las nanoestructuras híbridas de TiO2-WO3 modificándolas con ácido cítrico durante el anodizado electroquímico para comprobar su eficiencia como fotocatalizador no sólo en la producción de hidrógeno sino también en la degradación de contaminantes. También se optimizará la etapa de calentamiento necesaria para convertir las estructuras amorfas resultantes del anodizado y la electrodeposición, en estructuras cristalinas, las cuales son imprescindibles para que las nanoestructuras sean útiles como fotocatalizadores. Se profundizará en la caracterización morfológica de la nanoestructura empleando distintas técnicas de microscopía como la Microscopía Electrónica de Barrido de Emisión de Campo (FE-SEM) con energías dispersivas de Rayos X (EDX), Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) y Microscopía Raman Confocal. También se hará uso de técnicas electroquímicas como la Espectroscopía de Impedancia Electroquímica (EIS) y diagramas de Mott-Schottky para caracterizar las propiedades electroquímicas y fotoelectroquímicas de las nanoestructuras. Por último, se aplicarán las nanoestructuras híbridas de TiO2-WO3 sintetizadas a la rotura fotoelectroquímica de la molécula de agua (aplicación energética) y a la eliminación de contaminantes presentes en aguas (aplicación medioambiental). Los resultados del presente TFM reflejan que la adición de una concentración de 0.1 M de ácido cítrico durante el anodizado electroquímico mejora la morfología de los nanotubos de TiO2 y con ello la eficiencia del proceso de rotura fotoelectroquímica de la molécula de agua para la producción de hidrógeno. Además, las concentraciones óptimas de electrodeposición de WO3 para estos nuevos nanotubos son de 30mM de H2O2 y 5 mM de Na2WO4 junto con un tratamiento térmico a 450 °C, puesto que mejora el proceso de rotura fotoelectroquímica de la molécula de agua en comparación con las nanoestructuras de TiO2. También se confirma su uso como fotocatalizador en la fotoelectrodegradación del fenamifós, un plaguicida orgánico.

[EN] Titanium dioxide (TiO2) nanotubes are of increasing scientific interest due to their excellent properties and applications in different fields such as photocatalysis, dye-sensitised solar cells and biomedicine. However, the efficiency of TiO2 nanotubes is limited by their high bandgap value, which means that they only absorb energy from a small range of the solar spectrum. In order to try to reduce this bandgap, the synthesis of hybrid nanostructures of TiO2 with another semiconducting metal oxide (specifically WO3) is going to be carried out, thus allowing a higher absorption of sunlight. Furthermore, in this Master's thesis, the aim is to go a little further in the research and optimise the hybrid TiO2-WO3 nanostructures by modifying them with citric acid during electrochemical anodising to check their efficiency as a photocatalyst not only in hydrogen production but also in the degradation of pollutants. The heating stage necessary to convert the amorphous structures resulting from anodising and electrodeposition into crystalline structures, which are essential for the nanostructures to be useful as photocatalysts, will also be optimised. The morphological characterisation of the nanostructure will be studied in depth using different microscopy techniques such as Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM) with energy dispersive X-Ray (EDX), Atomic Force Microscopy (AFM) and confocal Raman Microscopy. Electrochemical techniques such as Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and Mott-Schottky diagrams will also be used to characterise the electrochemical and photoelectrochemical properties of the nanostructures. Finally, the synthesised hybrid TiO2-WO3 nanostructures will be applied to the photoelectrochemical breaking of the water molecule (energy application) and to the removal of pollutants from water (environmental application). The results of this TFM show that the addition of a 0.1 M concentration of citric acid during electrochemical anodising process improves the morphology of the TiO2 nanotubes and thus the efficiency of the photoelectrochemical breaking process of the water molecule for hydrogen production. Furthermore, the optimal WO3 electrodeposition concentrations for these new nanotubes are 30 mM H2O2 and 5 mM Na2WO4 together with a heat treatment at 450 °C, since it improves the photoelectrochemical breaking process of the water molecule compared to TiO2 nanostructures. Its use as a photocatalyst in the photoelectrodegradation of fenamiphos, an organic pesticide, is also confirmed.

[CA] Els nanotubs de diòxid de titani (TiO2) tenen cada vegada un major interès a nivell científic en virtut de les seves excel·lents propietats i aplicació en diferents camps com la fotocatàlisi, cel·les solars fotosensibilizadas per colorant o biomedicina. Tot i això, l'eficiència dels nanotubs de TiO2 està limitada pel seu elevat valor de banda prohibida, el que fa que només absorbeixin energia d'un petit rang de l'espectre solar. Per intentar disminuir aquesta banda prohibida es va a realitzar la síntesi de nanoestructures híbrides de TiO2 amb un altre òxid metàl·lic semiconductor (concretament el WO3), permetent així una major absorció de llum solar. A més, en el present Treball Final de Màster, es pretén anar una mica més enllà en la investigació i optimitzar les nanoestructures híbrides de TiO2-WO3 modificant amb àcid cítric durant l’anoditzat electroquímic, per comprovar la seva eficiència com fotocatalitzador no només en la producció d'hidrogen sinó també en la degradació de contaminants. També s'optimitzarà l'etapa d'escalfament necessària per convertir les estructures amorfes resultants de l'anoditzat i la electrodeposició, en estructures cristal·lines, les quals són imprescindibles perquè les nanoestructures siguin útils com fotocatalitzadors. S'aprofundirà en la caracterització morfològica de la nanoestructura emprant diferents tècniques de microscòpia com la Microscòpia Electrònica de Rastreig d'Eemissió de Camp (FE-SEM) amb energies dispersives de Raigs X (EDX), Microscòpia de Força Atòmica (AFM) i Microscòpia Raman Confocal. També es farà ús de tècniques electroquímiques com la Espectroscòpia d'Impedància Electroquímica (EIS) i diagrames de Mott-Schottky, per caracteritzar les propietats electroquímiques i fotoelectroquímiques de les nanoestructures. Finalment, s'aplicaran les nanoestructures híbrides de TiO2-WO3 sintetitzades al trencament fotoelectroquímica de la molècula d'aigua (aplicació energètica) i a l'eliminació de contaminants presents en aigües (aplicació mediambiental). Els resultats de el present TFM reflecteixen que l'addició d'una concentració de 0,1 M d'àcid cítric durant l’anoditzat electroquímic millora la morfologia dels nanotubs de TiO2 i amb això l'eficiència de l'procés de trencament fotoelectroquímica de la molècula d'aigua per a la producció d'hidrogen. A més, les concentracions òptimes d'electrodeposició de WO3 per a aquests nous nanotubs són de 30mm de H2O2 i 5 mM de Na2WO4 juntament amb un tractament tèrmic a 450 ° C, ja que millora el procés de trencament fotoelectroquímica de la molècula d'aigua en comparació amb les nanoestructures de TiO2. Així mateix també es confirma el seu ús com fotocatalitzador a la fotoelectrodegradació de fenamifós un plaguicida orgànic.