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Desarrollo teórico de fotocatalizadores de TiO2 activos en la región visible para la degradación del colorante Anaranjado Ácido 7

Julio Cesar Gonzalez Torres (2019)

107 páginas. Doctorado en Ciencias e Ingeniería de Materiales.

Investigación realizada con el apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (México). CONACYT.

En este trabajo se estudian las propiedades físicas y químicas del catalizador y los reactivos involucrados en la degradación del colorante anaranjado ácido 7, con el fin de proponer nuevos materiales fotocatalíticos que sean activos y eficientes utilizando la radiación del sol. En la primera parte se presentan los diferentes argumentos que han contribuido a crear los criterios de selección de los fotocatalizadores, estos criterios son: a) los materiales propuestos deben tener un potencial de oxidación similar al TiO2; b) los portadores de carga deben estar en los sitios reactivos; c) la movilidad de los portadores de carga juega un papel importante en la reacción; d) los estados energéticos generados por las impurezas deben ubicarse en los bordes de la bandas de conducción y de valencia; y por último, e) la absorbancia de radiación en la región visible debe ser alta para generar la cantidad necesaria de portadores de carga que permitan la formación de los radicales HO. Para ajustar las propiedades ópticas y electrónicas del TiO2, basándonos en estos criterios, se realizó el dopaje con dos grupos de átomos: los elementos del grupo principal C, N, S y F; y los metales de transición Co, Fe, Ni, Pd y Pt. Se utilizó la física del estado sólido para la descripción de los materiales – generando densidades de estados y estructuras de bandas electrónicas – y la teoría del funcional de la densidad para la descripción electrónica y geométrica de los sistemas. Los sistemas C-TiO2 y S-TiO2, dentro del primer grupo, y el Pt-TiO2 y Pd-TiO2, en el segundo, mejoran las propiedades fotocatalíticas del TiO2. Estos generan la menor cantidad de estados desocupados dentro de la brecha de energía prohibida del material – los metales de transición generan los estados electrónicos en los bordes de ambas bandas y no reducen la movilidad de los portadores de carga. Las vacancias de oxígeno llenan los estados desocupados del dopante y los recorren hacia la banda de valencia “limpiando” la brecha y reduciendo los sitios de recombinación. Por último, se realizó el codopaje del TiO2, utilizando los mejores candidatos de ambos grupos de elementos. El sistema codopado Pt-C-TiO2 es el sistema más eficiente siguiendo las reglas antes descritas, introduce estados ocupados en el borde de la banda de valencia, además, en la superficie (101), el único estado desocupado de los dopantes se mezcla con los orbitales desocupados de los Ti superficiales.

In this work, the physical and chemical properties of the catalyst and reactants involved in the degradation of the acid orange 7 dye are studied to design new photocatalytic materials active and efficient under solar radiation. In the first section, the arguments that have contributed for building the selection criteria of an efficient photocatalyst are presented. These criteria are: a) the proposed materials have to exhibit an oxidation potential similar to the TiO2; b) the photo-generated charge carriers must reach the reactive sites; c) the charge carrier mobility plays an important role in the degradation reaction; d) the energy states generated by the impurities must be located at the energy bands edges; and at last e) the absorbance of visible radiation must be enough to generate the necessary amount of charge carriers to produce the HO● radicals. To tune the optical and electronic properties of the TiO2, based upon these criteria, the doping with two sets of atoms was performed: the main group elements C, N, S, and F and the transition metals Co, Fe, Ni, Pd, and Pt. The calculations were done using the solid state calculations – obtaining the electronic density of states and band structures – and using density functional theory – for the electronic and geometric description of the systems. C-TiO2 and S-TiO2 systems, within the first set, and Pd-TiO2 and Pt-TiO2, within the second, enhance the TiO2 photocatalytic properties. These system generate the least amount of unoccupied states within the energy band gap of the materials – both transition metals generate electronic states in the boundaries of the valence and conduction band and do not reduce the charge carrier mobility. Oxygen vacancies fill the empty states of the dopants and shift them towards to the valence band, “cleaning” the gap and reducing the recombination sites. Finally, the codoping of TiO2 was done using the best candidates of both element sets. The Pt-C-TiO2 codoped system is the most efficient according to the described rules. This codoped material introduces occupied states at the valence band edge, moreover in the (101) surface, the only unoccupied state of the dopant is mixed with the surface unoccupied TiO2 states.

Doctoral thesis

Water--Purification--Photocatalysis. Titanium dioxide films--Electric properties. Titanium dioxide--Reactivity. Agua -- Purificación -- Fotocatálisis. TD468 INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA CIENCIAS TECNOLÓGICAS INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA QUÍMICAS TECNOLOGÍA DE LA CATÁLISIS

Evaluación de las propiedades eléctricas de recubrimientos ultradelgados de ZnO en función de distintos tratamientos térmicos

Evaluation of the electrical properties of ultrathin ZnO coatings as a function of different heat treatments

Ivonne Julieta Silva Contreras (2021)

En los últimos años ha habido un gran interés en el ZnO, a causa de sus perspectivas en aplicaciones electrónicas, principalmente para su aplicación en dispositivos electrónicos con circuitos integrados más rápidos y pequeños. Esto ha ocasionado que los métodos de fabricación convencionales vayan alcanzando su límite, por lo que se buscan métodos innovadores para obtener ZnO con un alto control de espesor y alta calidad para cubrir la demanda actual. Debido a ello, se propuso la evaluación eléctrica de recubrimientos ultradelgados de ZnO, crecidos por el método depósito por capa atómica, sobre superficies dieléctricas sometidos a tratamientos térmicos a distintas temperaturas en atmósfera de aire para promover su cristalinidad. Las mediciones eléctricas de los recubrimientos se realizaron primero por dos puntas a temperatura ambiente, observándose un comportamiento óhmico en todas las películas y una tendencia progresiva en el valor de resistencia eléctrica con la temperatura de recocido. Por otro lado, las mediciones de resistividad y número de portadores de carga se realizaron por el método de Van der Pauw con efecto Hall y por la espectroscopía de impedancia, donde se observó una disminución de la conductividad del ZnO en función de la temperatura del recocido a causa de la disminución del número de portadores por m3, y de la movilidad de electrones. Por su parte, se efectuaron caracterizaciones de estructura cristalina por medio de difracción de rayos-X, donde se determinó que la estructura cristalina de todos los recubrimientos es hexagonal tipo wurtzita. Además, cálculos de tamaño de grano muestran un aumento de su tamaño cuando se les somete a los recocidos y a su vez se ve reflejado en el aumento de la rugosidad de las películas, las cuales fueron medidas a partir de micrografías obtenidas por microscopía de fuerza atómica. Finalmente, se sugiere que los recubrimientos de ZnO bajo estas condiciones de síntesis sean aplicados para la fabricación de sensores de hidrógeno.

There has been significant interest in ZnO in recent years because of its prospects in electronic applications, mainly for its application in electronic devices with faster and smaller integrated circuits. This has caused conventional manufacturing methods to reach their limit, so innovative methods are being sought to obtain ZnO with high thickness control and high quality to meet current demand. Due to this, the electrical evaluation of ultrathin ZnO coatings, grown by the atomic layer deposition method, on dielectric surfaces subjected to heat treatments at different temperatures in an air atmosphere to promote their crystallinity was proposed. The electrical measurements of the coatings were carried out first by two points at room temperature, observing an ohmic behaviour in all the films and a progressive trend in the electrical resistance value with the annealing temperature. On the other hand, the resistivity measurements and the number of charge carriers were carried out by the Van der Pauw method with Hall effect and impedance spectroscopy, where a decrease in the conductivity of ZnO was observed as a function of the annealing temperature, caused by the decrease in the number of carriers per m3, and the mobility of electrons. Meanwhile, characterizations of the crystalline structure were carried out using X-ray diffraction, where it was determined that the crystalline structure of all the coatings is hexagonal wurtzite type. In addition, grain size calculations show an increase in size when subjected to annealing and are reflected in the increase in the roughness of the films, which were measured from micrographs obtained by atomic force microscopy. Finally, it is suggested that ZnO coatings under these synthesis conditions be applied to manufacture hydrogen sensors.

Master thesis

ZnO películas delgadas, tratamientos térmicos, ALD, propieades eléctrica ZnO thin films, heat treatments, electrical properties INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA CIENCIAS TECNOLÓGICAS TECNOLOGÍA DE MATERIALES PROPIEDADES DE LOS MATERIALES PROPIEDADES DE LOS MATERIALES