Autores: León D. Mejías K.. Pérez L. Torres V. Unidad de Ensayos no Destructivos, Análisis de Fallas y Corrosión de Materiales. Centro de Tecnología de los Materiales (CTM). FIIIDT.
Los nanomateriales (NMs), son considerados estructuras con una dimensión externa o interna inferior a los 100 nanómetros (nm). El uso de la escala nanométrica ha sido de especial interés en proyectos que involucran la catálisis, ya que se ha reportado en múltiples investigaciones que el uso de nanoestructuras en catalizadores mejoran la eficiencia del proceso. [1–3] ¿Por qué ocurre esto?
Cuando ocurre la disminución del tamaño del material esto provoca que una gran cantidad de átomos estén disponibles como sitios activos en la superficie, lo que permite generar catalizadores altamente activos, lo cual se traduce en una mejora de la eficiencia del proceso catalítico. [4,5]
Los semiconductores nanoestructurados son un caso particular de interés, debido a que poseen gran área superficial en un volumen pequeño. El desarrollo de este tipo de materiales en nanotecnología ha aumentado en muchos procesos químicos conocidos entre ellos la fotocatálisis. La implementación de la nanoescala de alta eficiencia en semiconductores permite el aumento en la conversión de la energía lumínica en energía química. [6,7]
La síntesis de estos materiales, permite la disminución de la recombinación producto de la disminución de la zona espacial de carga, que depende de la estructura del material. Como consecuencia de la nanoestructura, la zona espacial de carga resulta pequeña, por lo que los portadores de carga les toma menos tiempo llegar a la interfase lo que les permite involucrarse en los procesos interfaciales más rápidamente, llevando a cabo las reacciones de interés del proceso. [6,8]
CLASIFICACIÓN DE LOS NANOMATERIALES
Una de las clasificaciones que se les otorga a los nanomateriales, es de acuerdo a su dimensión, es decir, nanoescalas en una dimensión (por ejemplo, películas de superficie), dos dimensiones (hebras o fibras) o tres dimensiones (estructuras creadas a partir de los anteriores). En cuanto a sus dimensiones, se establecen cuatro categorías: 0D, 1D, 2D y 3D. A continuación se muestra una imagen que permite entender la clasificación de estas nanoestructuras:
Otra importante clasificación es de acuerdo a su síntesis, dentro de esta clasificación existen dos grandes grupos el primero: top-down que obtiene materiales en escala nanométrica a partir de materiales de dimensiones mayores, reduciéndolos mediante métodos físicos o químicos; en segundo lugar se encuentra bottom-up donde la estructura nanométrica se obtiene a partir de escalas atómicas
NANOTUBOS DE TiO2: EVOLUCIÓN EN EL MÉTODO DE SÍNTESIS
Debido a la gran relación superficie/volumen que poseen las estructuras nanotubulares (nanotubos NTs), junto a las propiedades que brinda la escala nanométrica, la síntesis de nanotubos ha sido un reto y un campo de gran interés en la generación de estos nuevos nanomateriales. Dentro de las aplicaciones de los nanotubos se encuentran los procesos fotovoltaicos, la fotocatálisis y fotoelectrólisis. Además, existe especial interés en la síntesis de nanotubos de TiO2, dado que se conocen las propiedades fotocatalíticas de este material y varios estudios han reportado mejoras utilizando NTs respecto a otras formas estructurales de este óxido. [9–12]
Inicialmente las técnicas para la producción de NTs de TiO2 consistían en la deposición en plantillas de alúmina Al2O3, la técnica sol-gel, crecimiento por sembrado y procesos hidrotermales. Actualmente, una de las técnicas más utilizadas debido a que permite obtener resultados reproducibles y estructuras altamente ordenadas de NTs, es la anodización por el método electroquímico. [13]
Este último método ha sido empleado en los laboratorios de la FII-DT, para la producción de nanotubos de TiO2 con la finalidad de estudiar la respuesta electroquímica de estas nanoestructuras y su comportamiento fotoelectroquímico en la degradación de contaminantes.
NANOTUBOS DESARROLLADOS EN EL LABORATORIO DE ELECTROQUIMICA DE LA FIIDT
En el laboratorio de nanomateriales y electroquímica de la FIIDT, se han desarrollado síntesis de nanomateriales, con la finalidad de generar electrodos nanoestructurados, específicamente nanotubos mediante el método de anodización a altos campos. ¿En qué consiste este método?
La anodización a altos campos es una de las técnicas electroquímicas más utilizadas para la síntesis de nanoestructuras de TiO2, esto debido a que se trata de a una de las formas más simples, económicas y con resultados reproducibles para la obtención de nanoestructuras ordenadas. Para la anodización del titanio, el proceso ocurre en una celda electroquímica con dos electrodos, aplicando una diferencia de potencial constante a temperatura ambiente. La formación de la capa de óxido ocurre debido a la reacción de las especies metálicas con los iones O2− del H2O. Como el proceso es a potencial constante el campo dentro del óxido se reduce progresivamente mientras que el espesor de la capa de óxido incrementa, esto permite sintetizar películas delgadas cuyo espesor dependen del potencial de formación. En la siguiente figura se muestra una configuración experimental típica para obtener películas sólidas delgadas mediante el proceso de anodización.[14]
En el caso particular de los NTs de TiO2 existen condiciones específicas de potencial y de la naturaleza del electrolito, cuya variación permite obtener distintas estructuras de estos. Existen otros dos factores que permiten generar estructuras de NTs con características específicas reproducibles, estas son el voltaje aplicado y la temperatura. A través del control del potencial aplicado se puede manipular el diámetro de los nanotubos, esta relación es directamente proporcional, por lo que el diámetro de los NTs aumenta cuando se incrementa el potencial aplicado durante el proceso de anodización.
Finalmente para determinar si el anodizado electroquímico fue logrado con éxito, los electrodos sintetizados deben someterse a pruebas de microscopia electrónica de barrido, donde se podrá apreciar la morfología de la nanoestructura, para finalmente obtener la dimensión, el largo, espesor y diámetro de los nanotubos.
Referencias.
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