Desarrollo de fotocatalizadores basados en TiO₂ dopado con tierras raras y/o metales de transición

Abstract

Hay una gran cantidad de investigaciones sobre cómo se pueden utilizar diferentes nanomateriales, tanto en su forma pura como dopada, para reducir fotocatalíticamente el nitrógeno o los nitratos a amoniaco, todo esto en condiciones ambientales y aprovechando la luz solar. Por esta razón, el desarrollo de nanopartículas de TiO₂ ha despertado un gran interés. Se han utilizado varios métodos, tanto top-Down como bottom-Up, para preparar estas nanopartículas con el objetivo de mejorar los fotocatalizadores basados en este semiconductor de amplio band gap. Esto incluye: (I) modificar el tamaño y la forma de las nanopartículas, (II) ajustar la proporción de las fases Anatasa y Rutilo o (III) dopar con iones de tierras raras o metales de transición. Este estudio se centra en el desarrollo de nuevos catalizadores basados en TiO₂ mediante el método de síntesis solvotermal asistida por microondas. Se utilizaron iones de tierras raras y metales de transición, como Mn²⁺ y Eu³⁺, para ampliar el rango visible del TiO₂ y analizar su comportamiento. Las nanopartículas obtenidas mostraron una fase Anatasa, con tamaños de partícula reducidos (4.1–4.3 nm) y una morfología casi esférica. El dopaje con Eu³⁺ mantuvo la estructura, mientras que el Mn²⁺ introdujo defectos sin generar fases secundarias. Los espectros de fotoluminiscencia revelaron transiciones características del Eu³⁺ y un tiempo de vida de 4.23 ms, lo que indica una baja recombinación. Por otro lado, la espectroscopía UV-Vis mostró una reducción del band gap de 3.1 eV (TiO₂ puro) y un borde de absorción de aproximadamente 1.89 eV (TiO₂:Mn²⁺ calcinado) proporcionado por el Mn²⁺ u otros estados de oxidación. Estos resultados indican que los dopantes son clave para aprovechar el espectro solar y su posible uso en procesos foto catalíticos bajo luz visible.

There is a great deal of research on how different nanomaterials, both pure and doped, can be used to photocatalytically reduce nitrogen or nitrates to ammonia, all under ambient conditions and taking advantage of sunlight. For this reason, the development of TiO₂ nanoparticles has aroused great interest. Several methods, both top-down and bottom-up, have been used to prepare these nanoparticles with the aim of improving photocatalysts based on this wide band gap semiconductor. This includes: (I) modifying the size and shape of the nanoparticles, (II) adjusting the ratio of the Anatase and Rutile phases or (III) dosing with rare earth ions or transition metals. This study focuses on the development of new TiO2-based catalysts using the microwave-assisted solvothermal synthesis method. Rare earth ions and transition metals, such as Mn²⁺ and Eu³⁺ , were used to extend the visible range of TiO₂ and analyze its behavior. The nanoparticles obtained showed an Anatase phase, with reduced particle sizes (4.1-4.3 nm) and a nearly spherical morphology. Doping with Eu³⁺ maintained the structure, while Mn²⁺ introduced defects without generating secondary phases. Photoluminescence spectra revealed characteristic transitions of Eu³⁺ and a lifetime of 4.23 ms, indicating low recombination. On the other hand, UV-Vis spectroscopy showed a reduced band gap of 3.1 eV (pure TiO₂) and an absorption edge of approximately 1.89 eV (calcined TiO₂:Mn²⁺) provided by Mn²⁺ or other oxidation states. These results indicate that dopants are key to exploiting the solar spectrum and their possible use in photocatalytic processes under visible light.