Modificaciones superficiales de óxidos de titanio: arreglos de nanotubos de TiO2

FABIANA Y. OLIVA,; MANUEL A. GARCÍA ; OSVALDO R. CÁMARA

Congreso; XVII Congreso Argentino de Fisicoquímica y Química Inorgánica; 2011

Los nanotubos de TiO2 (TiO2NT) han captado la atención en el área de los biomateriales debido a su gran área superficial, estabilidad química y térmica. Estudios recientes con células madre demostraron que los TiO2NT son capaces de participar en el proceso de diferenciación de osteoblastos, y sus propiedades fotocatalíticas están siendo aplicadas para tratamientos contra el cáncer. Si bien el principal método de síntesis de los TiO2NT es por vía electroquímica, sus propiedades electroquímicas no han sido estudiadas en profundidad. Nuestro objetivo es comprender acabadamente el sistema Ti/TiO2NT/electrolito desde el punto de vista de su comportamiento electroquímico semiconductor, como etapa previa a estudios fisicoquímicos de adsorción de proteínas y de biocompatibilidad con medios biológicos.     Las películas de TiO2NT fueron formadas polarizando sustratos de Ti grado 1 a diferentes potenciales finales y tiempos de anodizado, en HF 0,3% - H3PO4 1M. Se realizaron experimentos de caracterización electroquímica mediante voltamperometría cíclica (VC) a diferentes velocidades de barrido, curvas de impedancia-potencial (C-E) a 80 Hz y espectros de impedancia electroquímica (EIE). Los resultados experimentales de EIE fueron ajustados mediante el uso de circuitos eléctricos equivalentes que representan el sistema en estudio. Imágenes SEM de películas de TiO2NT (10 V, 1 h), permitieron estimar un diámetro interno, espesor de paredes y largo de tubo promedio de 51±5, 17±2 y 290±23 nm respectivamente.             La respuesta capacitiva en medio alcalino es la típica del TiO2 semiconductor (C incrementando exponencialmente hacia potenciales negativos con un comportamiento tipo Mott-Schottky), a pH intermedio mostró la presencia de un “hombro” y a pH ácido un máximo en la curva C-E. Este comportamiento puede explicarse considerando que la posición del potencial de banda plana (Efb) del óxido semiconductor es paulatinamente más negativa con el aumento del pH, tal como corresponde a óxidos semiconductores con comportamiento ácido-base de sus grupos superficiales. A partir de la comparación de las curvas j-E para TiO2NT con las obtenidas para películas delgadas y homogéneas de TiO2, a diferentes pH, fue posible observar que los perfiles para TiO2NT a un dado pH son similares a los de TiO2 a pH más ácido. Esto lleva a considerar que luego de la síntesis en el interior de los nanotubos queda una [H+] remanente más alta que la del seno del electrolito. Experimentos de VC en función del tiempo han revelado una cinética de “deprotonación” que sugiere un proceso lento de equilibrio entre el pH superficial interno del NT y el pH del seno del electrolito. Los valores calculados de concentración de donores (ND) y Efb, demostraron ser altamente dependientes de las condiciones de síntesis de la superficie. Los valores de ND disminuyen con el pH del seno debido a una posible modificación de los estados superficiales del semiconductor, mientras que una variación del Efb de 46 mV/pH confirma la hipótesis de un remanente ácido “encerrado” en la estructura tubular.      Los resultados experimentales de EIE, fueron reproducidos con un circuito equivalente que contiene la R de la solución y dos subcircuitos en serie: (R1-Cpe1) y (R2-C2), asociados a la región de carga espacial del semiconductor y a la región de doble capa eléctrica, respectivamente. Los parámetros resultantes fueron analizados en función del potencial y el pH del electrolito a los fines de su interpretación física.