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."

"In this work, we report the fast synthesis of crystalline TiO2 anatase phase with {001} exposed facets by means of microwave assisted hydrothermal method. Two different catalysts (HF y H2SO4) of hydrolysis were used as the control agent of the exposed facets. As precursors of titanium, a crystalline material of titanium dioxide, an alcoxide, and TiF4 are reported. Nanostructures with cubic-type morphology of anatase TiO2 were synthesized using the crystalline material of titanium dioxide (TiO2 Degussa P25) and HF as the control agent of the exposed facets during 5 h of reaction. An increment in the duration of the reaction does not show an improvement of exposed facets of the particles. Elongated cubic-type particles presented exposed facets {001}, {100}, and {101}. Remaining anchored fluorines on surface of the {001} exposed facets were evidenced by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). HF act as the control agent of the exposed facets to decrease the surface energy of {001} facets and promotes the formation of elongated cubic-type particles in hydrothermal environment at 190 °C. Furthermore, a calcination at 400 °C is necessary to eliminate the remainings of hydrofluoric acid, which does not affect the elongated cubic morphology. Decahedral nanostructures of truncated bipyramids are obtained from TiF4 y HF as precursors. The concentration of HF (10 %) and TiF4 (0.06 M) is found to be optimal for the formation of decahedral particles of truncated bipyramids without microwave irradiation. These decahedral particles of truncated bipyramid shape have average size of ~250 nm. Under microwave irradiation of 4 h favors the size increase of the decahedral particles to ~350 nm. For 8 h of reaction, hierarchical arrangements of decahedral nanostructures of truncated bipyramids are identified by SEM. Hierarchical structures of self-assembling microspheres by cubic-type particles were synthesized with H2SO4 and TTIP as the control agents of the exposed facets and precursor of titanium, respectively. Hierarchical structures have been synthesized at 2.0 mol/L H2SO4. For bigger concentrations, the microspheres are agglomerated forming cauliflower-like structures."