Películas conductoras de Ti4O7 estructuradas por congelamiento direccional

RODRIGO PARRA; MATÍAS JOBBÁGY; HERNÁN ROMEO

Mar del Plata

Congreso; XXIX Congreso Argentino de Química; 2012

Asociación Química Argentina

Entre las principales clases de materiales, los cerámicos se destacan por sus múltiples propiedades, o combinación de ellas, difíciles de hallar en materiales de diferente naturaleza. Existen cerámicos porosos y densos; transparentes y opacos; aislantes, conductores y superconductores; paramagnéticos y ferromagnéticos; amorfos, monocristalinos, policristalinos y compuestos. Desde hace ya algunos años, se está trabajando intensamente en el desarrollo y perfeccionamiento de recubrimientos cerámicos conductores con aplicaciones en pantallas táctiles, electrodos transparentes,1 celdas fotoelectroquímicas para el tratamiento de aguas, entre otras. En particular, entre los óxidos semiconductores utilizados, el TiO2 es uno de los más atractivos debido a su estabilidad química y resistencia a la corrosión, sin embargo, el gran ancho de banda y la elevada resistividad de este óxido estequiométrico limitan muchas veces su aplicabilidad funcional. Dentro de los materiales que cumplen no sólo con las características antes mencionadas (estabilidad química y resistencia a la corrosión) sino también que exhiben propiedades de interés en el desarrollo de nuevos recubrimientos conductores, podemos mencionar ciertas fases subestequiométricas del TiO2. Éstas, denominadas habitualmente fases de Magnéli, son óxidos de fórmula general TinO2n-1 (con n variando entre 4 y 10) producidos por reducción térmica de TiO2 (a temperatura elevada) en una atmósfera en presencia de H2(g). Dentro de las características más relevantes que exhibe este tipo de fases podemos mencionar su alta conductividad eléctrica (comparable incluso con la del grafito) y la elevada estabilidad en presencia de electrolitos y ambientes químicamente agresivos. Estas características hacen de estos materiales sistemas interesantes para su utilización como electrodos cerámicos (comercializados como productos Ebonex®), así como también como componentes de baterías, ánodos para protección catódica, medios de oxidación de contaminantes orgánicos, entre otros.2 Si bien es cierto que estas fases pueden ser producidas en una gran variedad de formas (varillas, fibras, espumas, polvos) aún no se ha reportado su preparación y estructuración como películas altamente organizadas. En este trabajo se abordará un nuevo método de preparación de películas estructuradas para lograr controlar a voluntad la arquitectura de un material cerámico conductor (una fase de Magnéli). El método se basa en el congelamiento direccional (a velocidad controlada) de dispersiones y/o soluciones acuosas por inmersión en un líquido criogénico, seguido por la remoción del hielo generado por liofilización. La formación de hielo (cristales de estructura generalmente laminar) provoca la segregación de los solutos disueltos o en suspensión en el medio acuoso hacia los límites entre cristales de hielo adyacentes. Esto da lugar a estructuras caracterizadas por "cercos" de materia que se disponen encerrando los dominios de hielo. Los soportes obtenidos luego del liofilizado muestran una macroporosidad (del orden de los micrones) que corresponde a las áreas vacías donde originalmente residieron los cristales de hielo. Debido a la direccionalidad del proceso de inmersión, es posible obtener sistemas bi- (o tri-) dimensionales con canales alineados a lo largo de la dirección de congelamiento. Esto resulta particularmente atractivo a la hora de desarrollar películas con "caminos" conductores y útiles al transporte de analitos de interés. Un aspecto fundamental y relevante del procedimiento radica en que la estructuración del material puede controlarse variando las condiciones de congelamiento.3 La idea general propuesta, y el aspecto más relevante del trabajo, se basan en la utilización de la técnica de congelamiento direccional como herramienta de estructuración de películas eléctricamente conductoras de Ti4O7. De esta manera se espera obtener películas del óxido con doble funcionalidad: eléctrica (dada por la fase cerámica) y de transporte (dada por la presencia de canales estructurados). El trabajo contempla inicialmente la preparación de películas estructuradas por congelamiento direccional de dispersiones acuosas de TiO2 (comercial u obtenido por hidrólisis y condensación de isopropóxido de titanio4) soportadas sobre sustratos de vidrio (cuarzo). Posteriormente, se llevará a cabo la reducción térmica (a 1050°C) del TiO2 de la película en una mezcla gaseosa H2/Ar (6% H2). Esto permitirá obtener la fase cerámica deseada (Ti4O7) así como también alcanzar la estabilidad y consolidación estructural dada por el sinterizado del óxido. De acuerdo con los objetivos trazados, se evaluarán el efecto de la velocidad de inmersión en el líquido criogénico, la concentración de las dispersiones utilizadas y la naturaleza del TiO2 de partida sobre las propiedades eléctricas de las películas preparadas.