Preparación y caracterización de dióxido de titanio dopado con cromo para aplicaciones fotocatalíticas
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Resumen en español
Recientemente, el método de la fotocatálisis ha sido un área de investigación activa como una solución prometedora para degradar agentes contaminantes en el agua. El dióxido de titanio (TiO2) es el semiconductor más adecuado para las aplicaciones fotocatalíticas debido a su alto potencial de oxidación y a su gran eficacia cuando es radiado por la luz ultravioleta (UV). No obstante, debido a su amplia energía de banda prohibida (3.2 eV), la activación se alcanza en un intervalo de la luz UV, que conforma menos del 10% de la energía solar. Con el fin de obtener un semiconductor con una energía menor de 3.2 eV se prepararon películas delgadas de TiO2 sin dopar y dopadas con cromo (Cr) mediante la técnica de sol gel. El presente trabajo se centra en el crecimiento de películas delgadas de TiO2 dopadas con cromo con el objetivo de ser aplicadas en la degradación fotocatalítica. La solución utilizada para crear la película fue preparada por el método sol gel utilizando isopróxido de titanio (IV), etanol, ácido nítrico (HNO3) y agua desionizada. La solución coloidal resultante se depositó sobre un sustrato de vidrio mediante la técnica de recubrimiento por inmersión. Para eliminar los disolventes y el agua restantes, los recubrimientos fueron secados en una en una mufa a 250°C. Finalmente las muestras se trataron térmicamente durante una hora a 450°C para obtener la estructura cristalina de la fase anatasa. Se utilizó el cloruro hexahidrato de cromo (III) (CrCl3-6H2O como fuente de iones de cromo y fue incorporada a la solución coloidal. Se hicieron tres diferentes soluciones en función del porcentaje de dopante. El análisis de espectroscopia de rayos X por dispersión (EDS) confirmó que los elementos Ti, O y Cr están presentes en la muestra. Los patrones de difracción de rayos X mostraron que todas las películas son policristalinas con estructura de anatasa y que el tamaño de los cristalitos disminuye con el dopaje de cromo. Los espectros Raman de la fase anatasa son claramente visibles para todas las muestras. El dopaje del TiO2 con Cr dio lugar a una disminución de la energía de banda prohibida del TiO2 y también a la reducción de la tasa de recombinación electrón-hueco fotogenerada. La actividad fotocatalítica de las películas delgadas se determinó después de 1, 2, 3, 4 y 5 h al colorante naranja de metilo (NM) bajo luz UV. Según los resultados obtenidos, las películas delgadas de TiO2 dopadas con Cr tienen mayor actividad fotocatalítica que la película delgada de TiO2 sin dopar. Se calculó el porcentaje de degradación fotocatalítica del naranja de metilo (NM), en donde la película con mayor contenido de cromo (TiO2-Cr10) alcanzó el 66,5%, tras 5 horas de radiación UV.
Resumen en español
Recently, the photocatalysis method has been an active area research as a promising solution for degrading pollutants agents in water. Titanium dioxide (TiO2) is the most suitable semiconductor for photocatalytic applications due to its high oxidation potential and high efficiency when irradiated by ultraviolet (UV) light. However, due to its wide bandgap energy (3.2 eV), activation is achieved in a range of UV light, which makes up less than 10% of solar energy. In order to obtain a semiconductor with an energy lower than 3.2 eV, TiO2 and Cr-doped TiO2 thin films were prepared by the sol gel technique. The present research focuses on the growth of chromium doped TiO2 thin films with the aim of being applied in photocatalytic degradation. The solution used to create the film was prepared by the sol gel method using titanium (IV) isopropoxide, ethanol, nitric acid (HNO3) and deionized water. The resulting colloidal solution was deposited on a glass substrate by dip coating technique. To remove the remaining solvents and water, the coatings were dried in a muffle furnace at 250°C. Finally, films were heat-treated at 450°C for 1 h in air atmosphere to obtain the crystal structure of anatase phase. Chromium (III) hexahydrate chloride (CrCl3-6H2O) was used as a source of chromium ions and was incorporated into the colloidal solution. Three different solutions were made depending on the percentage of dopant. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis confirmed that the elements Ti, O and Cr are present in the sample. X-ray diffraction patterns showed that all films are polycrystalline with anatase structure and that the crystallite size decreases with chromium doping. Raman spectra of the anatase phase are clearly visible for all samples. Doping of TiO2 with Cr resulted in a decrease of the bandgap energy of TiO2 and in the reduction of the photogenerated electron-hole recombination rate. Photocatalytic activity of thin films are determined after1, 2, 3, 4 and 5 h to methyl orange (OM) dye under UV light. According to the results obtained, Cr-doped TiO2 thin films have higher photocatalytic activity than undoped TiO2 thin film. The percentage of photocatalytic degradation of methyl orange (OM) was calculated, where the film with higher chromium content (TiO2-Cr10) reached 66.5%, after 5 hours of UV irradiation.
