Mesoporous metallic nanocrystalline oxides thin films with applications on photovoltaic devices and catalysis

El diseño y la síntesis de films delgados mesoporosos de óxidos metálicos contemplan la exploración detenida de los procesos fisicoquímicos que dan a lugar la creación de materiales novedosos y de aplicaciones múltiples. Los óxidos metálicos mesoporosos se encuentran en un lugar privilegiado dentro de los nuevos materiales, debido a la elevada área específica que poseen (entre 100 y 1000m2/g), al tamaño intermedio de sus poros (entre 2 y 50nm) y a las vastas aplicaciones que poseen. Si sumamos a estas características la preparación en forma de films delgados, las propiedades se multiplican, sostenidas en la facilidad de utilización y re-utilización, y en la versatilidad que los sistemas así adquieren. Este trabajo se enfocó principalmente en la preparación y caracterización de films delgados mesoporosos ordenados de óxidos metálicos, en particular TiO2 y Zr1-xCexO2 (con 0≤x≤0.5), a través de un análisis exhaustivo de las variables que influyen de manera directa o indirecta en las características del material obtenido. Estas características abarcan desde la cristalinidad del óxido que conforma las paredes del material mesoporoso hasta la accesibilidad, el orden de los poros y la homogeneidad de la solución sólida en óxidos mixtos. Se optimizó el tiempo requerido para la preparación de films mesoporosos ordenados de sílice, titania y zirconia. En cuanto a la síntesis de titania y zirconia mesoporosa, se exploraron también rutas alternativas de preparación a través del uso de un agente complejante: acetilacetona. Mediante este método resultó muy sencillo obtener films homogéneos, con alto grado de orden y accesibles, lo que permitió simplificar notablemente su procesado. Como una extensión y generalización de este concepto, se construyeron estructuras multicapa (reflectores de Bragg) con características definidas y obtenidas por diseño. Se estudió también la utilización de los materiales optimizados en aplicaciones concretas. En particular, se analizó la actividad fotocatalítica de films delgados mesoporosos y nanocristalinos de TiO2 depositados sobre un sustrato conductor, y también su uso como plataforma para la creación de dispositivos fotovoltaicos híbridos de fase sólida. La incorporación de nanopartículas de oro en los films delgados mesoporosos de Zr1-xCexO2 permitió su aplicación como sistemas catalíticos en diversas reacciones modelo. El presente trabajo de tesis abre un nuevo camino hacia el diseño de materiales mesoporosos con aplicaciones reales, que evolucionan desde su potencialidad hacia la creación de dispositivos funcionales. Palabras clave: óxidos metálicos nanocristalinos, films delgados mesoporosos, celdas solares, catálisis.Design and preparation of mesoporous metallic oxides thin films involve the careful exploration of the physicochemical processes that lead the creation of new materials with multiple applications. In the list of new materials, mesoporous metallic oxides are in a privileged place due to its large specific surface (between 100 and 1000m2/g), the halfway size of its pores (between 2 and 50nm) and their multiple applications. Preparation of these materials as thin films multiply their features, due the easy of manipulation and re-utilization, and the versatility that systems acquire for this reason. This work was focused on the optimization of mesoporous metallic oxides thin films preparation, in particular TiO2 and Zr1-xCexO2 (0≤x≤0.5), through a detailed exploration of the variables that influence the features of the final material. These features include the oxide crystallinity that constitute the walls of the mesoporous material, the accessibility and pore order, and the solid solution homogeneity of mixed oxides. Time consumption for the preparation of silica, zirconia and titania mesoporous thin films were optimized. Different synthetic routes for the preparation of mesoporous zirconia and titania were explored through the incorporation of acetylacetone as a complexing agent. It was possible to obtain homogeneous, highly ordered and accessible mesoporous thin films by this new strategy, which made the processing much easier. As an extension and generalization of this concept, multilayered structures (Bragg reflectors) were easily prepared. Applications of the optimized mesoporous thin films preparations were evaluated as well. In particular, nanocrystalline TiO2 mesoporous thin films onto a conductive substrate were studied as photocatalytic material and as the substrate for the preparation of all-solid state photovoltaic devices. Au nanoparticles incorporation inside Zr1-xCexO2 mesopores allowed the application of these thin films as re-utilizable catalytic devices through the study of model reactions. The present work opens a new path to the rational design of mesoporous materials with real applications, which will evolve from its potentiality to the actual creation of functional devices. Keywords: metallic nanocrystalline oxides, mesoporous thin films, solar cells, catalysis.Fil:Violi, Ianina Lucila. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina