Modificación del potencial redox del TiO2 mediante la incorporación de elementos dopantes en la estructura cristalina

MORGADE C.I.N; FUENTE S. A.; SCHVVAL A. B.; CABEZA G. F.

San Luis

Encuentro; VIII Encuentro de Física y Química de Superficies; 2018

Universidad Nacional de San Luis

químicamente alterados. La comprensión de cómo diferentes tipos de dopado modifican las propiedades fotocatalíticas de semiconductores como el TiO2 permitiría el desarrollo de nuevos catalizadores para la optimización de reacciones químicas de interés industrial y medioambiental. La titania es un semiconductor con propiedades fotocatalíticas que se presenta fundamentalmente en la naturaleza en sus estructuras rutilo y anatasa siendo la primera la de mayor estabilidad y la segunda la de mayor actividad. Por otro lado sistemas de fase mixta han mostrado mayor actividad que los de fase pura. La presencia de estados aceptores o donores en la estructura electrónica de un semiconductor, producto del dopado, modifican las posiciones relativas del mínimo de la banda de conducción (CBM) y del máximo de la banda de valencia (VBM) lo que a su vez se relaciona con sus potenciales de reducción y de oxidación. El conocer cómo cada elemento dopante modifica al catalizador permitiría la selección del método de síntesis más adecuado para la catálisis deseada. Cuanto mayor sea la energía del CBM mayor será el poder reductor y cuanto menor sea la energía del VMB mayor será el poder oxidante del catalizador1. En las reacciones fotoquímicas además el paso crucial es la transferencia de electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción a partir de la absorción del cuanto de energía adecuado correspondiente al ancho de la banda prohibida (BG). Factores tales como la naturaleza metálica o no metálica del elemento dopante, la posición y la concentración modifican además de los potenciales redox de las bandas, la energía necesaria para la excitación.Por otra parte, es sabido que la hetero-unión de dos catalizadores diferentes, o de un catalizador como la titania en dos polimorfos diferentes, favorece la separación de transportadores de carga y actúa modificando las propiedades óxido-reductoras finales del sistema.En el presente estudio los cálculos se realizaron utilizando el código VASP2 dentro del formalismo de la teoría de Densidad Funcional, con la inclusión del coeficiente de Hubbard (DFT + U). Se analizaron los desplazamientos relativos de las respectivas bandas de valencia y conducción en sistemas de fase pura y en sistemas de fase mixta de tamaños de granos grandes y homogéneos dopados intersticial y sustitucionalmente3. Dentro de los elementos metálicos estudiados se encuentran el V, el Fe y el Pt, y entre los no metálicos el N, el C y el F. Los resultados indican que los mayores potenciales de reducción se obtienen mediante el dopado con nitrógeno sustitucional para la anatasa y el nitrógeno intersticial para el rutilo; mientras que en ambos polimorfos el mayor poder oxidante lo presenta el dopado con hierro intersticial. Los estudios de la titania de fase mixta dopada con Fe intersticial corroboran la mayor eficiencia de separación de carga lo que incrementaría la vida media de las mismas y en consecuencia su capacidad catalítica.