Efectes de la il·luminació sobre els òxids metàl·lics: aplicacions a sensors de gasos i fotoreducció de CO?Efectes de la il·luminació sobre els òxids metàl·lics: aplicacions a sensors de gasos i fotoreducció de CO?

• Autores: Marta Manzanares Altes
• Directores de la Tesis: Joan Ramon Morante i Lleonart (dir. tes.), Teresa Andreu Arbella (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2016
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Albert Cornet i Calveras (presid.), Jordi Arbiol Cobos (secret.), Damián Monllor Satoca (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Nanociencias
• Materias:
  • Física
    • Química física
      • Fotoquímica
    • Física del estado sólido
      • Semiconductores
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología energética
      • Fuentes no convencionales de energía
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Dipòsit Digital de la UB
• Resumen

  • La interacció de la llum amb els òxids metàl•lics (MOX’s) semiconductors, sempre i quan l’energia dels fotons sigui superior a l’amplada de la banda prohibida, produeix un increment significatiu de la densitat de portadors de càrrega en el semiconductor, ja que cada fotó incident genera, de forma molt eficient, un parell electró–forat (e¯ – h+). Aquests portadors de càrrega fotogenerats poden migrar a la superfície del semiconductor i interactuar amb espècies donadores o acceptadores d’electrons, propiciant les reaccions de tipus redox. Aquest fenomen rau en la base de la fotocatàlisi heterogènia i fa dels òxids metàl•lics semiconductor uns materials molt atractius com a catalitzadors. L’objectiu d’aquesta tesi és l’estudi de dues aplicacions directes de la interacció entre gasos i la superfície dels òxids metàl•lics semiconductors activats mitjançant radiació lumínica: els sensors de gasos i la fotoreducció de CO2. • Sensors de gasos Un dels principals inconvenients dels sensors de gasos és que, per tal de propiciar i accelerar les reaccions d’adsorció i desorció de les molècules de gas sobre la superfície del semiconductor, han d’operar a alta temperatura. La necessitat d’un sistema calefactor en el dispositiu limita les seves aplicacions, per exemple, en medis amb gasos explosius. Substituir l’activació tèrmica del sistema per una activació lumínica permetria augmentar-ne el ventall de possibles aplicacions. Tradicionalment, el SnO2, el WO3 i el In2O3, entre d’altres, s’han emprat en els sensors químics resistius. En el present treball s’estudia el comportament d’aquests òxids metàl•lics sota il•luminació UVA. Per tal d’augmentar-ne l’estabilitat i la resposta, s’utilitzen estructures nanomètriques (Nanofils de SnO2) i mesoporoses (WO3 i In2O3amb estructures KIT-6). Per una banda, s’observa que, a temperatura ambient, els sensors fotoactivats mostren una resposta reversible a gasos oxidants (NO2) que no s’observa a les fosques. També s’estableix una relació entre el flux de fotons que incideixen sobre la superfície dels òxids metàl•lics i el comportament dels sensors (resposta, temps de transició, estabilitat, etc.). Els mecanismes de detecció s’associen a la competència entre el NO2 i el O2 per adsorbir-se sobre els mateixos llocs actius, i com la llum influeix en aquesta competència. De l’altra banda, s’estudia el fenomen de la fotoconductivitat i de la seva persistència (PPC per Persistent Photoconductivity) en diferents condicions de treball i se suggereix que el seu origen està relacionat no només amb l’augment de portadors de càrrega induït per la radiació, sinó també amb la desorció directa dels O2 adsorbits en superfície i la fotoreducció de l’òxid metàl•lic. • Fotoreducció de CO2 La fotoreducció de CO2 assistida per H2O és una alternativa al emmagatzemament geològic força prometedora. Aprofitant la interacció de la radiació UV i solar, es pot aconseguir reduir el CO2 per convertir-lo en hidrocarburs que puguin ser reutilitzats en el cicle energètic (hidrogen, metà, età, metanol, etanol...). La selectivitat i eficiència del procés depèn en bona part del material fotocatalític emprat. En aquest treball, amb l’objectiu de millorar aquests materials, els esforços s’han centrat en semiconductors fotosensibles nanoestructurats (nanopartícules de TiO2) modificats amb additius altament dispersats (Mg, Ca, In i Pt). L’activitat fotocatalítica dels material s’ha testat en un reactor bifàsic (sòlid–gas) emprant un simulador solar com a font de llum i amb una atmosfera humida. Les mostres de Pt-TiO2 exhibeixen una alta selectivitat cap a la producció de H2. En canvi, les mostres de Mg-TiO2, Ca-TiO2 i In-TiO2 amb baixes concentracions d’additiu (0.2 i 0.5 wt%) mostren una millora en la productivitat d’hidrocarburs (especialment, CH4), respecte de les mostres de TiO2 pur. La caracterització òptica i estructural dels catalitzadors relaciona la productivitat amb els estats superficials, en concret amb l’abundància de Ti3+ i grups hidroxils presents a la superfície. Els resultats també suggereixen que la selectivitat cap a la producció de un o altre hidrocarbur pot estar relacionada amb la basicitat del catalitzador i els additius emprats.