Síntesi i caracterització d’òxid de titani nanoestructurat per aplicacions energètiques

Abstract

La tesi s’engloba en un context energètic en el que les tendències actuals del subministrament i el consum d’energia són clarament insostenibles. No és exagerat dir que el futur de la prosperitat de la humanitat depèn de la manera en què responguem als dos principals reptes que se’ns plantegen en l’actualitat en matèria d’energia: assegurar un subministrament d’energia fiable i assequible, i passar ràpidament a un nou sistema de subministrament de l’energia amb baixes emissions de carbó, eficient i respectuós amb el medi ambient.

De entre totes les tecnologies disponibles, la generació d’hidrogen solar mitjançant el trencament fotoelectroquímic de l’aigua ha estat considerada la més prometedora en quant a l’obtenció de sistemes estables de fotoelectrólisi. Més concretament, els òxids metàl•lics han centrat l’atenció de la comunitat científica com els materials ideals per a implementar els fotoànodes.

L’òxid de titani és el material per excel•lència en fotocatàlisi. Això és degut principalment a la seva gran estabilitat en tot tipus de medis i a la gran varietat de rutes de síntesi que es poden utilitzar per a la seva obtenció (sol-gel, hidrotermal, solvotermal, oxidació directa, deposició química en fase vapor, deposició física en fase vapor, electrodeposició, mètode sonoquímic, anodització, etc).

A la primera part vàrem analitzar vàries de les rutes de síntesis que permeten obtenir nanoestructures de TiO2 amb característiques ben diferents. Totes elles tenen en comú una gran superfície activa per tal que es puguin produir el màxim de reaccions a la superfície. Donades les limitacions intrínseques de l’òxid de titani degut a la seva baixa absorció a la regió visible de l’espectre solar com a conseqüència de la seva elevada banda prohibida (3.2 eV), ens centràrem en les possibles millores que se’n poden derivar de la modificació química i/o estructural mitjançant la incorporació d’elements estranys en el si de la matriu de l’òxid de titani. Vàrem diferenciar entre additius catiònics i aniònics i més concretament en la incorporació de ferro i nitrogen, respectivament. Vàrem estudiar com la presència d’aquests elements afecten les propietats òptiques i elèctriques dels nostres materials i com podíem controlar el seu impacte en aquestes propietats . Finalment, vàrem presentar com la utilització d’estructures composades de varis semiconductors permeten millorar amb escreix els rendiments obtinguts mitjançant la introducció d’additius per tal de modificar l’estructura de l’òxid de titani. En concret, estudiàrem l’heteroestructura CdS@TiO2. En aquesta mena d’estructura el CdS actua com a material absorbidor i l’òxid de titani com a material suport que proporciona la nanoestructura necessària per a dotar el dispositiu d’una bona conducció d’electrons i d’una gran superfície activa

"Synthesis of nano structured titanium dioxide for energy applications"

After the pioneering work of Fujishima and Honda, who demonstrated the possibility to electrolyze water to hydrogen fuel using a solar-driven titanium dioxide photoelectrode (PE) cell, researchers looked for other semiconductor oxides or solid solutions resistant to photocorrosion. As alternatives, conventional semiconductors like Si, GaAs, InP, CuInSe and CdTe display impressive efficiencies as PEs but their low stability in water solutions and high cost hinders their use for such applications. On the other hand, TiO2 has been extensively investigated as an environmentally harmonious and clean photocatalyst. Titania’s main advantages are its reasonable optical and electronic properties, a fair photocatalytic activity, and especially its low cost, excellent chemical stability and nontoxicity. However, its practical application has been limited by its low efficiency and wide bandgap, which requires ultraviolet (UV) radiation as the excitation source. In this work, we present different routes of synthesis to obtain nanostructured titania with the aim of increase the active surface area which one of the main limiting factors. In a second part, we explored to different approaches for the improvement of the absorption range of the visible spectrum: introduction of transition metals, such as iron, and doping with non-metal such as nitrogen. Finally, we introduced a new concept that allows overcoming the intrinsic limitations of the introduction of strange elements inside de matrix of TiO2. The use of heterostructured materials, which is match two different materials, such as TiO2 and CdS, with different band gaps to take profit of a wider range of the solar spectrum.