Síntesis de nanoestructuras a base de TiO2 obtenidas por el método hidrotérmico asistido con microondas

Abstract

En el presente trabajo se reporta la síntesis rápida de TiO2 cristalino en fase anatasa con planos {001} expuestos en superficie mediante el método hidrotérmico asistido con microondas. Dos diferentes catalizadores de hidrólisis (HF y H2SO4), fueron utilizados como agentes controladores de planos expuestos. Como precursores de titanio, un material cristalino de dióxido de titanio, un alcóxido y TiF4 son reportados. Nanoestructuras con morfología tipo cúbica elongada de anatasa TiO2 fueron sintetizadas a partir del material cristalino de dióxido de titanio (TiO2 Degussa P25) usando HF como agente controlador de planos expuestos durante 5 h de reacción. Un incremento en el tiempo de irradiación no mostró una mejora en los planos expuestos de las partículas. Las partículas tipo cúbicas elongadas exhibieron planos expuestos {001}, {100} y {101}. Remanentes de flúor anclados en la superficie de los planos expuestos {001} fueron evidenciados por espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS). El HF actuó como agente controlador de planos expuestos al disminuir la energía superficial de los planos {001} promoviendo la formación de partículas tipo cúbicas elongadas en ambiente hidrotérmico a 190 °C. Fue necesaria una calcinación posterior a 400°C para eliminar los remanentes de HF, sin que la morfología cúbica elongada fuera afectada. Nanoestructuras decaedrales de bipirámide truncada fueron obtenidas a partir de TiF4 y HF como precursores. Las concentraciones de HF (10 %) y TiF4 (0.06 M) fueron las óptimas para la formación de partículas decaedrales sin irradiación de microondas. Estas partículas decaedrales de bipirámide truncada exhibieron tamaños promedios de ~250 nm. Bajo irradiación de microondas de 4 h se favoreció el aumento en el tamaño de las partículas decaedrales a ~350 nm. A 8 h de reacción arreglos jerárquicos de nanoestructuras decaedrales de bipirámide truncada fueron identificados por microscopía electrónica de barrido (SEM). Estructuras jerárquicas de microesferas autoensambladas por partículas tipo cúbicas fueron sintetizadas a partir de H2SO4 y TTIP como agente controlador de planos expuestos y precursor de titanio, respectivamente. Las estructuras jerárquicas fueron sintetizadas a una concentración de 2.0 mol/L de H2SO4. A concentraciones mayores las microesferas se aglomeraran formando estructuras tipo coliflor. La actividad de las estructuras jerárquicas de microesferas autoensambladas fue evaluada en la producción de hidrógeno en la reacción de water splitting. Una producción de H2 de 1000 μmol durante 6 h fue alcanzada con las estructuras jerárquicas de microesferas autoensambladas a las cuales previamente se les depositó nanopartículas de CuO en superficie. La síntesis de planos expuestos de anatasa TiO2 es una estrategia relativamente joven para mejorar las propiedades catalíticas superficiales, el método hidrotérmico asistido por microondas permite crecer planos {001} que, de manera natural, no se crecen debido a su baja estabilidad termodinámica. Estos materiales prometen un buen desempeño para la producción de hidrógeno como fuente de energía alterna renovable que será de gran importancia en un futuro inmediato como se estudia en el presente trabajo de tesis.