Photoelectrocatalytic and photoelectrochromic properties of composite nanostructured metal oxide films

Los materiales llamados semiconductores (muchos de ellos óxidos metálicos) son capaces de generar portadores de carga (huecos y electrones) cuando se iluminan con luz suficientemente energética. Estos portadores son capaces de sostener reacciones redox. Los electrones de la banda de conducción (BC) y los huecos de la banda de valencia (BV) pueden reducir y oxidar, respectivamente, especies que estén en contacto directo con el semiconductor. Además, los electrones y huecos fotogenerados pueden eliminarse en el proceso que se conoce como recombinación. El grado en que se producen estas reacciones redox depende de la eficiencia en la separación de las cargas fotogeneradas. Una separación de los portadores efectiva da lugar a aplicaciones. En esta tesis se abordan detalladamente los procesos de foto(electro)cromismo y foto(electro)catálisis. La separación de los portadores de carga en un material puede verse favorecida por: - La creación de heterouniones entre dos semiconductores (óxidos) distintos. - El diseño adecuado de la nanoestructura de los óxidos: estructuras ordenadas y/o estructuras con mucha superficie interfacial. - La modificación de la superficie o del seno de los óxidos semiconductores (dopado). En las aplicaciones prácticas se pretende que haya una transferencia de carga capaz de impulsar el proceso de interés. Por lo tanto, el control de los procesos de transferencia de carga del semiconductor a través de sus interfases es fundamental en el diseño de materiales para una determinada aplicación. Teniendo todo esto en cuenta, los objetivos establecidos para esta tesis han sido: I. Preparar estructuras ordenadas de nanobarras de α-Fe2O3 (hematita) sobre vidrio conductor e investigar sus propiedades catalíticas para fotooxidar agua. Optimizar el proceso de fotooxidación del agua sobre electrodos de hematita aplicando un pretratamiento electroquímico. Estudiar el efecto del pretratamiento sobre la composición, morfología y estructura electrónica de la hematita. II. Modificar los electrodos de hematita con Ti de dos maneras distintas, una que afecte principalmente a todo el material y otra que afecte a la superficie de la hematita, con el fin de mejorar sus propiedades catalíticas para fotooxidar agua. Aplicar y estudiar el pretratamiento reductivo para los electrodos de hematita tras ser modificados con Ti. III. Modificar la superficie de las nanobarras de hematita con trimetilaluminio (TMA) mediante depósito de capa atómica (Atomic layer deposition - ALD) desde fase gas o por adsorción en fase líquida, con el fin de mejorar sus propiedades fotoelectroquímicas para oxidar agua. Investigar los cambios en las propiedades electrónicas y electroquímicas de los electrodos de hematita tras ser modificados. IV. Preparar electrodos nanoporosos de Ni(OH)2 sobre vidrio conductor (SnO2:F - FTO) e investigar sus propiedades catalíticas para oxidar agua en medio alcalino en función de la cantidad depositada y de la morfología del hidróxido. V. Preparar electrodos nanoporosos basados en capas mixtas TiO2/Ni(OH)2 sobre vidrio conductor e investigar la separación de carga en los mismos con el fin de estudiar su posible utilización en dispositivos fotoelectrocrómicos. Estudiar las cinéticas de los procesos de la coloración y decoloración a través de medidas (foto)(espectro)electroquímicas. Las siguientes cinco conclusiones generales resumen los resultados más importantes en relación con los cinco objetivos previamente mencionados. I. En este estudio se ha conseguido sintetizar barras de hematita nanoestructuradas y con orientación (110) depositadas sobre vidrio conductor a través de un método de baño químico. Estas capas se han utilizado para estudiar el proceso de fotoxidación del agua. Para mejorar las propiedades fotocatalíticas de estas capas se ha empleado un pretratamiento electroquímico simple y altamente controlable que consiste en la aplicación de potenciales negativos por un tiempo muy corto (en el rango de segundos). Este pretratamiento da lugar a una mejora de la fotocorriente de hasta ocho veces asociada a la oxidación del agua, junto con un desplazamiento negativo de 20 mV del potencial de inicio de la fotocorriente. Este pretratamiento también induce cambios en la morfología de los electrodos, capacidad electrocatalítica y en su estructura electrónica. Por lo tanto, el dopado electroquímico no puede considerarse simplemente como un dopado tipo-n capaz de aumentar la fotoactividad de las capas debido a una mejora en el transporte de electrones. En realidad, los resultados obtenidos muestran claramente que se producen cambios mucho más profundos en la estructura electrónica y la composición de las capas que mejoran significativamente las propiedades tanto electro- como foto-electrocatalíticas. De hecho, ambas propiedades siguen una tendencia general similar con el potencial del pretratamiento empleado. Dentro de un marco más general, el pretratamiento reductivo puede ser utilizado también para la mejora de estructuras de hematita previamente modificadas o dopadas. Desde una perspectiva práctica, el dopaje electroquímico tiene la limitación de no ser permanente, lo que significa que debe aplicarse periódicamente. Esto no es un inconveniente serio en un dispositivo práctico, siempre y cuando la mejora inducida por el pretratamiento compense claramente esta limitación. II. Se han diseñado dos estrategias de modificación de hematita económicas utilizando una disolución con un mismo precursor de Ti. En un procedimiento el Ti se introduce en la estructura de hematita, mientras que en la otra, se forma una capa de TiO2 ultra-delgada que cubre por completo la superficie de hematita. Ambas modificaciones inducen un aumento significativo en la fotocorriente para la oxidación de agua (4 - 6 veces). La razón principal de la mejora en las capas modificadas con Ti es la disminución significativa del proceso de recombinación. El freno de la recombinación en las muestras modificadas con una sobre-capa de TiO2 se atribuye principalmente al bloqueo de estados superficiales, mientras que en el caso de las muestras modificadas con Ti intercalado en la estructura se relaciona principalmente con el aumento del área interfacial junto con un aumento de la conductividad electrónica. III. Se han preparado electrodos basados en nanobarras de hematita modificadas con TMA empleando una estrategia simple de impregnación a partir de una disolución de hexano. Los resultados se han comparado con los obtenidos modificando los electrodos de hematita con TMA por ALD. Los electrodos modificados muestran una importante mejora, aumentando tres veces la fotocorriente de oxidación de agua. Por un lado, el TMA bloquea los estados superficiales de hematita y por otro, induce un enriquecimiento electrónico. Tal conclusión fue confirmada cualitativamente en el caso de muestras modificadas con TMA utilizando la técnica de ALD. A pesar de que la modificación en fase líquida ha dado una foto-actividad menor en términos de la magnitud de la fotocorriente que la de ALD, representa una alternativa mucho más económica. Además, el método de impregnación a partir de una disolución es industrialmente escalable. Dentro de un marco más general, la modificación con TMA es potencialmente aplicable a otros semiconductores tipo n. Por lo tanto, podría constituir una estrategia relevante para mejorar la eficiencia de la fotooxidación de agua utilizando otros materiales tales como TiO2, BiVO4, WO3, entre otros. IV. Este estudio muestra que, a través de un procedimiento simple y potencialmente escalable como el baño químico, se pueden producir capas nanoestructuradas ultra-finas de Ni(OH)2 sobre FTO. Estas películas se caracterizan por una gran actividad electrocatalítica. Son capaces de oxidar el agua desarrollando corrientes iguales o superiores a las de películas mucho más gruesas. Esto último está relacionado con el hecho de que la reacción de generación de oxígeno depende de la formación de níquel (IV) que puede verse limitada por la baja conductividad eléctrica de Ni(OH)2. Por tanto, el proceso se favorece en capas finas donde la distancia al substrato conductor es menor. Esta noción es muy importante de cara a su aplicación. No solo se minimiza la cantidad de Ni(OH)2 necesaria sino se producen también ánodos altamente eficientes transparentes y prácticamente incoloros. V. Este trabajo ha mostrado que una capa nanoporosa mixta y delgada de TiO2/Ni(OH)2 depositada sobre vidrio conductor y sometida a un potencial catódico constante puede colorearse al ser iluminada con luz ultravioleta, mientras que se decolora completamente cuando se interrumpe la iluminación. Este fenómeno se ha denominado “fotoelectrocromismo reversible potenciostatico”. El valor del potencial empleado permite seleccionar tanto el contraste en la coloración como la cinética de la decoloración. Este fenómeno es posible debido a la existencia de un área interfacial extendida de contacto TiO2/Ni(OH)2 debido a la estructura nanoporosa que permite un contacto íntimo entre ambos componentes. Desde un punto de vista práctico, estos resultados podrían facilitar el desarrollo de ventanas inteligentes con una nueva funcionalidad porque, además del convencional efecto electrocrómico, trabajarían en un segundo modo, en el que, la coloración respondería a la intensidad de la luz incidente (a un potencial constante)