Development and characterization of tio2-based heterostructures with highly spatially separated charges and its application in the ethanol photo-reforming
- Xiaowei Chen Director
- Juan José Delgado Jaén Co-director
Defence university: Universidad de Cádiz
Fecha de defensa: 16 September 2024
- Alberto Marinas Aramendia Chair
- Eduardo Blanco Ollero Secretary
- Oihane Sanz Iturralde Committee member
Type: Thesis
Abstract
La producción de hidrógeno mediante el foto-reformado de alcoholes de cadena corta empleando la luz solar es considerada como una de las metodologías más prometedoras para transformar de manera sostenible la energía solar en energía química. Esto permitiría un fácil almacenamiento de la misma y su empleo de una manera eficiente. El dióxido de titanio (TiO2) es, con mucho, el fotocatalizador más estudiado debido a su bajo coste, baja toxicidad y buena estabilidad en las condiciones de operación. Además, muestra una gran eficiencia en numerosas reacciones fotocatalíticas, aunque la rápida recombinación de los pares electrón-hueco fotogenerados en el TiO2 reducen significativamente su eficiencia. Existe un amplio consenso en que una de las mejores estrategias para reducir dicha recombinación es la adición de un co-catalizador, comúnmente un metal noble como el platino, que permite la separación de cargas y cataliza la semireacción de reducción. No obstante, la baja abundancia de dichos metales y su elevado coste limitan su empleo. En este contexto, el principal objetivo de esta tesis es mejorar la eficiencia de la separación de cargas mediante la construcción de heteroestructuras basadas en TiO2, empleado estrategias sintéticas que permita reducir los contenidos en metales nobles. Para alcanzar este objetivo general, se han desarrollado rutas sintéticas innovadoras que han permitido optimizar la interacción entre las nanopartículas presentes en los fotocatalizadores. Esto ha permitido mejorar la separación de cargas y reducir el contenido en platino necesario para alcanzar la máxima eficiencia posible. En particular, se ha demostrado que empleando nanopartículas de titania con morfologías controladas, como nanohojas, y carbón con formas bidimensionales similares a las del grafeno, es posible favorecer la migración de cargas entre el semiconductor y el carbono, mejorando la eficiencia del proceso. Por otro lado, también se ha logrado la migración de cargas entre nanopartículas de titania de la P25 mediante un método sencillo que crea aglomeraciones de dichas partículas, permitiendo reducir el contenido de platino necesario para alcanzar la máxima actividad posible. Finalmente, también se ha desarrollado un método basado en la foto-deposición, sencillo y fácilmente escalable, que permite depositar el platino sobre el dióxido de controlando el tamaño desde la dispersión atómica, clústeres o nanopartículas. Esta aproximación ha permitido mejorar la eficiencia al permitir aumentar el número de centros activos hasta el máximo posible cuando se consigue alcanzar la dispersión atómica del metal. Incrementar el número de estos centros de platino aumenta la probabilidad de que los electrones encuentre uno de estos centros antes de que pudiera ocurrir la recombinación hueco-electrón. Las muestras se han caracterizado mediante un amplio abanico de técnicas instrumentales, incluyendo espectroscopía UV-Vis, fisisorción de nitrógeno, difracción de rayos X, microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía electrónica de transmisión (TEM) y espectroscopía de fluorescencia. Estas técnicas han permitido determinar las propiedades ópticas, texturales y estructurales de las muestras, así como su composición química a escala atómica. Estos análisis han sido fundamentales para encontrar correlaciones entre las características de las muestras y su actividad fotocatalítica. Se ha puesto especial interés en el estudio de las muestras tras la actividad catalítica, con el fin de determinar su estabilidad y proponer mecanismos que permitan entender los procesos de desactivación observados.