Title

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

Author

Julio Cesar Gonzalez Torres

Contributor

Oscar Olvera-Neria (Thesis Adviser)

Access level

Open Access

Summary or description

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.

Publisher

Universidad Autónoma Metropolitana (México). Unidad Azcapotzalco. Coordinación de Servicios de Información.

Publish date

January, 2019

Publication type

Doctoral thesis

Information Resource

Format

application/pdf

Language

Spanish

Source repository

Repositorio Institucional Zaloamati

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