Nanopartículas de óxidos metálicos: de la óptica a la catálisis

Abstract

Esta tesis tiene por objeto estudiar las potenciales aplicaciones de nanopartículas de óxidos metálicos en los campos de la óptica y la fotocatálisis. Para ello, se han seleccionado iones de tierras raras y de metales de transición como dopantes. Con el fin de optimizar las propiedades ópticas y fotocatalíticas de los nanomateriales preparados, se han investigado diferentes métodos de síntesis, tales como combustión, sales fundidas, sol-gel Pechini, precipitación homogénea y solvotermal. Además, se ha empleado una gran variedad de técnicas para caracterizar estructural y ópticamente las nanopartículas fabricadas. Así, con el objeto de estudiar las características estructurales de las muestras preparadas, se han utilizado la difracción de rayos X, la microscopía electrónica de transmisión y diferentes técnicas espectroscópicas, como emisión atómica por plasma de microondas, fotoelectrónica de rayos X, y Raman. Del mismo modo, se han realizado experimentos de absorción, excitación, luminiscencia y espectroscopía resuelta en tiempo para llevar a cabo la caracterización óptica. Finalmente, se ha evaluado la fotoactividad de los catalizadores preparados mediante experimentos de degradación de azul de metileno y de fotoreducción de CO2. La primera parte de la Tesis, dedicada a materiales ópticos, se ha desarrollado en el marco del proyecto europeo NanoCrystals in Fibre Lasers. En primer lugar, se ha llevado a cabo un estudio exhaustivo del efecto de los diferentes métodos de síntesis empleados sobre las características ópticas de las nanopartículas de Y2O3:Pr3+ obtenidas, poniendo de relieve el papel fundamental que ejercen las condiciones de síntesis sobre las cualidades y, por tanto, las propiedades luminiscentes del material preparado. Seguidamente, se han fabricado composites ópticamente activos basados en dichas nanopartículas mediante la técnica de deposición por láser pulsado para su uso potencial como guía de ondas, manifestando así la idoneidad de este procedimiento para encapsular nanopartículas y preservar sus propiedades ópticas originales. La segunda parte de la Tesis, enfocada en materiales fotocatalíticos, se ha elaborado a partir de diferentes proyectos de colaboración. En primer lugar, y a partir del interés mostrado por la empresa Vitrispan S.A, se han desarrollado recubrimientos de esmalte que contienen nanopartículas de TiO2 dopadas con metales de transición sobre láminas de acero inoxidable. Dicho sistema se ha aplicado en la fotodegradación de contaminantes. Este trabajo pone de manifiesto la creciente atención existente hacia el uso industrial de tales materiales catalíticos empleando radiación solar visible como fuente de luz. Por otro lado, y en colaboración con el departamento CITIMAC y el departamento de Ingenierías Química y Biomolecular de la Universidad de Cantabria, se ha evaluado la actividad catalítica de nanopartículas de TiO2 dopadas con elementos de tierras raras y co-dopadas con elementos de tierras raras y metales de transición en la fotoreducción de CO2 a alcoholes, mostrando la eficacia de las estrategias de dopaje para incrementar la absorción de luz y la actividad de los catalizadores.

This thesis aims to study the potential applications of metal oxide nanoparticles in the fields of optics and photocatalysis. For such a purpose, rare earth and transition metal ions have been selected as dopant species. Several synthesis procedures, namely combustion, molten salt, sol-gel Pechini, homogeneous precipitation and solvothermal methods, have been employed to optimize both the optical and photocatalytic properties of the obtained materials. Additionally, a wide variety of techniques have been applied to carry out an in-depth structural and optical characterization of the fabricated nanoparticles. In particular, X-ray diffraction, transmission electron microscopy, and microwave plasma-atomic emission, X-ray photoelectron and Raman spectroscopies have been used to study the structural features of the prepared samples. Likewise, absorption, excitation, luminescence and time-resolved spectroscopy experiments have been carried out to perform the optical characterization. The photoactivity of the synthesized catalysts has been evaluated through methylene blue degradation and CO2 photoreduction tests. The first part of the Thesis, devoted to optical materials, has been developed within the NanoCrystals in Fibre Lasers project. Firstly, the effect of the synthesis procedures on the optical performance of obtained the Y2O3:Pr3+ nanoparticles has been thoroughly studied, demonstrating the crucial role of the fabrication conditions on their structural features, and thus on the resulting luminescent properties. Subsequently, the fabrication of nanoparticle-based optical composites for waveguide applications by means of pulsed laser deposition technique has been performed, proving the suitability of such an approach for the encapsulation and preservation of optically active nanomaterials. The second part of the Thesis, focused on photocatalytic materials, has been developed within different collaborations. Firstly, a collaboration Project with Vitrispan S.A. company has been carried out to develop transition-metal doped TiO2 nanoparticle-based enamel coatings on stainless-steel sheets for pollutant degradation purposes, showing the potential industrial application of such catalysts using visible solar irradiation. Secondly, along with the CITIMAC and the Chemical and Biomolecular Engineering Departments from the University of Cantabria, the catalytic performance of rare-earth-doped and transition metal/rare earth co-doped TiO2 nanoparticles has been evaluated for the photoreduction of CO2 to alcohols, proving the suitability of doping strategies for an increased light absorption and a boosted catalytic activity.