Preparación y caracterización de capas delgadas y estructuras de óxido de titanio para aplicaciones fotocatalíticas activadas mediante radiación UV o visible

Abstract

El aumento de la presencia de contaminantes atmosféricos hace necesario el desarrollo de nuevas tecnologías para limitar su impacto negativo. Una de esa tecnología podría ser basada en la integración de TiO2 en los elementos de construcción de los edificios. TiO2, una vez activado con luz UV, permite la destrucción de numerosos contaminantes inorgánicos y orgánicos. El principal problema del TiO2 es su eficiencia reducida. En efecto, el valor de su band gap es de 3.2 eV, lo que impide su activación con luz visible, la mayor componente del espectro solar. En el marco de esta tesis, se ha estudiado el dopaje con nitrógeno de capas delgadas de TiO2 preparadas por PLD como estrategia para hacer posible la activación del TiO2 con luz visible. Se han relacionado las propiedades estructurales, ópticas y químicas del material preparado con sus propiedades fotocatalíticas. Se han identificado las condiciones experimentales optímales para la preparación de un material dopado que tenga actividad bajo irradiación UV o visible. Con el objetivo de determinar la mejor estrategia para mejorar la eficiencia del material dopado, se ha llevado a cabo la nanoestructuración de las capas de TiO2 formando estructuras periodicas presentando un incremento substancial de su área superficial. La estructuración se ha llevado a cabo utilizando substratos recubiertos de moldes de esferas de poliestireno auto-asembladas. Se ha preparado también un material compuesto, TiO2 dopado con nitrógeno recubierto de nanopartículas de Ag, que permite la formación de una barrera Schottky en el material induciendo una mayor separación entre los fotoportadores. Se han determinado las cantidades optímales de Ag a depositar para obtener el mayor incremento de actividad bajo iluminación UV o visible. Con el objetivo de preparar el material dopado con técnicas fácilmente escalables, se han realizado reacciones de amonolisis a capas de TiO2 preparadas por sol-gel y a estructuras columnares. Se ha identificado los parámetros de temperaturas, flujo de amoniaco y tiempo que permiten obtener un material dopado en la fase anatasa y que tenga actividad bajo iluminación UV o visible. Se ha utilizado capas de TiO2 dopado con nitrógeno para formar celdas fotovoltaicas. Se ha estudiado la relación entre el dopaje con nitrógeno y la estabilidad de las celdas fotovoltaicas en atmósfera inerte.

The increase of atmospheric pollution makes necessary the development of new technologies to limite it´s negative impact. One of these technologies aiming the reduction of atmospheric pollution could be based on the integration of TiO2 in the building elements. TiO2, when activated by UV light, allows for the destruction of organic and inorganic pollutants. The main drawback of TiO2 is its reduced efficiency. Indeed, its large band gap value, about 3.2 eV, which prevent it´s activation with visible light, the main component of the solar spectrum and reduce its efficiency. In the frame of the thesis, the nitrogen doping of TiO2 was investigated as a strategy to allow its activation with visible light. A relationship was established between the structural, optical, chemical properties and its photocatalytic properties. The best experimental conditions were identified allowing the synthesis of doped materials, active both under UV and visible light irradiation. In order to increase the efficiency of the nitrogen doped TiO2, besides dense thin films, periodic structures with significantly increased specific surface area using self assembled polystyrene sphere template. Moreover, composite materials, Ag nanoparticles loaded nitrogen doped TiO2 were prepared, which form a Schottky barrier allowing a better separation between the photogenerated charge carriers leading to a decrease of their recombination rate. We determine the optimum quantity of Ag nanoparticles leading to efficient photocatalyst under UV o visible light irradiation. With the objectives to synthesize materials with conventional techniques, we prepared nitrogen doped TiO2 films and structures by ammonolysis. We identified the conditions of temperature, NH3 flow and treatment time to obtain a material active under UV or visible light. The nitrogen doped TiO2 films were also used to study the effect of nitrogen doping on the stability under inert atmosphere of photovoltaic cell based on TiO2.