Trabajo de grado - Maestr?a
Preparaci?n y caracterizaci?n de di?xido de titanio dopado con cromo para aplicaciones fotocatal?ticas
Autor
Medina Ram?rez, Rosa Elena
Institución
Resumen
85 p. Recientemente, el m?todo de la fotocat?lisis ha sido un ?rea de investigaci?n activa como una soluci?n prometedora para degradar agentes contaminantes en el agua. El di?xido de titanio (TiO2) es el semiconductor m?s adecuado para las aplicaciones fotocatal?ticas debido a su alto potencial de oxidaci?n y a su gran eficacia cuando es radiado por la luz ultravioleta (UV). No obstante, debido a su amplia energ?a de banda prohibida (3.2 eV), la activaci?n se alcanza en un intervalo de la luz UV, que conforma menos del 10% de la energ?a solar. Con el fin de obtener un semiconductor con una energ?a menor de 3.2 eV se prepararon pel?culas delgadas de TiO2 sin dopar y dopadas con cromo (Cr) mediante la t?cnica de sol gel.
El presente trabajo se centra en el crecimiento de pel?culas delgadas de TiO2 dopadas con cromo con el objetivo de ser aplicadas en la degradaci?n fotocatal?tica. La soluci?n utilizada para crear la pel?cula fue preparada por el m?todo sol gel utilizando isopr?xido de titanio (IV), etanol, ?cido n?trico (HNO3) y agua desionizada. La soluci?n coloidal resultante se deposit? sobre un sustrato de vidrio mediante la t?cnica de recubrimiento por inmersi?n. Para eliminar los disolventes y el agua restantes, los recubrimientos fueron secados en una en una mufa a 250?C. Finalmente las muestras se trataron t?rmicamente durante una hora a 450?C para obtener la estructura cristalina de la fase anatasa. Se utiliz? el cloruro hexahidrato de cromo (III) (CrCl3-6H2O como fuente de iones de cromo y fue incorporada a la soluci?n coloidal. Se hicieron tres diferentes soluciones en funci?n del porcentaje de dopante.
El an?lisis de espectroscopia de rayos X por dispersi?n (EDS) confirm? que los elementos Ti, O y Cr est?n presentes en la muestra. Los patrones de difracci?n de rayos X mostraron que todas las pel?culas son policristalinas con estructura de anatasa y que el tama?o de los cristalitos disminuye con el dopaje de cromo. Los espectros Raman de la fase anatasa son claramente visibles para todas las muestras. El dopaje del TiO2 con Cr dio lugar a una disminuci?n de la energ?a de banda prohibida del TiO2 y tambi?n a la reducci?n de la tasa de recombinaci?n electr?n-hueco fotogenerada. La actividad fotocatal?tica de las pel?culas delgadas se determin? despu?s de 1, 2, 3, 4 y 5 h al colorante naranja de metilo (NM) bajo luz UV. Seg?n los resultados obtenidos, las pel?culas delgadas de TiO2 dopadas con Cr tienen mayor actividad fotocatal?tica que la pel?cula delgada de TiO2 sin dopar. Se calcul? el porcentaje de degradaci?n fotocatal?tica del naranja de metilo (NM), en donde la pel?cula con mayor contenido de cromo (TiO2-Cr10) alcanz? el 66,5%, tras 5 horas de radiaci?n UV. Recently, the photocatalysis method has been an active area research as a promising solution for degrading pollutants agents in water. Titanium dioxide (TiO2) is the most suitable semiconductor for photocatalytic applications due to its high oxidation potential and high efficiency when irradiated by ultraviolet (UV) light. However, due to its wide bandgap energy (3.2 eV), activation is achieved in a range of UV light, which makes up less than 10% of solar energy. In order to obtain a semiconductor with an energy lower than 3.2 eV, TiO2 and Cr-doped TiO2 thin films were prepared by the sol gel technique.
The present research focuses on the growth of chromium doped TiO2 thin films with the aim of being applied in photocatalytic degradation. The solution used to create the film was prepared by the sol gel method using titanium (IV) isopropoxide, ethanol, nitric acid (HNO3) and deionized water. The resulting colloidal solution was deposited on a glass substrate by dip coating technique. To remove the remaining solvents and water, the coatings were dried in a muffle furnace at 250?C. Finally, films were heat-treated at 450?C for 1 h in air atmosphere to obtain the crystal structure of anatase phase. Chromium (III) hexahydrate chloride (CrCl3-6H2O) was used as a source of chromium ions and was incorporated into the colloidal solution. Three different solutions were made depending on the percentage of dopant.
Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis confirmed that the elements Ti, O and Cr are present in the sample. X-ray diffraction patterns showed that all films are polycrystalline with anatase structure and that the crystallite size decreases with chromium doping. Raman spectra of the anatase phase are clearly visible for all samples. Doping of TiO2 with Cr resulted in a decrease of the bandgap energy of TiO2 and in the reduction of the photogenerated electron-hole recombination rate. Photocatalytic activity of thin films are determined after1, 2, 3, 4 and 5 h to methyl orange (OM) dye under UV light. According to the results obtained, Cr-doped TiO2 thin films have higher photocatalytic activity than undoped TiO2 thin film. The percentage of photocatalytic degradation of methyl orange (OM) was calculated, where the film with higher chromium content (TiO2-Cr10) reached 66.5%, after 5 hours of UV irradiation.