Materiales cerámicos funcionalizados para sistemas de energías renovables

Castañeda Reyna, Iván Eduardo (2015) Materiales cerámicos funcionalizados para sistemas de energías renovables. Maestría thesis, Universidad Autónoma de Nuevo León.

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Resumen

Propósito y Método del Estudio: Los mezcla de los compuestos SiC-TiO2 como fotocatalizadores han sido estudiados recientemente para la degradación de compuestos orgánicos y producción de hidrógeno bajo luz ultravioleta, donde se ha logrado una mejora en las propiedades fotocatalíticas del TiO2, cuando se encuentra soportado sobre SiC. Sin embargo, la mayoría de los estudios han sido realizados en materiales en forma de polvo. En este trabajo de tesis se buscó aprovechar la sinergia que se presenta en la mezcla SiC-TiO2, depositándolos en películas para evaluar su comportamiento en la producción de hidrógeno en una solución de agua pura. Por tal motivo, el objetivo de este trabajo consistió en llevar a cabo la depositación de películas con diferentes configuraciones de SiC y TiO2 sobre el sustrato vítreo no conductor y conductor (ITO) mediante el uso de un magnetrón RF para la técnica de Sputtering, ambos a temperatura ambiente, con una potencia de 300 W y tratadas térmicamente a 450°C, para así crear películas sobrepuestas con cristalinidad. Las películas depositadas fueron caracterizadas por difracción de rayos X (DRX), microscopía electrónica de barrido (MEB), espectrofotometría de UVVis, espectroscopia de impedancia electroquímica (EIE) y cronoamperometría. La producción de hidrógeno se evaluó para los materiales depositados en forma de película bajo luz UV, mediante cromatografía de gases y de manera analítica en los sistemas fotocatalítico y fotoelectroquímico, respectivamente. De igual manera, se probaron los materiales en polvo preparados por molienda mecánica como materiales de comparación. Contribuciones y Conclusiones: Se determinó que la tasa de depósito y crecimiento de la película de SiC, es de 4 mg/h y 0.25 nm/s, respectivamente, mientras que la tasa de depósito y crecimiento de la película del TiO2 fue de 1.5 mg/h y 0.18 nm/s, en un substrato de vidrio por Sputtering, mediante la implementación de un magnetrón RF. Se obtuvo una energía de banda prohibida para las películas de SiC y TiO2 fue 3.2 y 3.3 eV respectivamente. En los materiales obtenidos por molienda mecánica, los valores de Eg oscilan en un rango entre 3.0 y 3.2 eV. Esto indica que todos los materiales preparados serán activados bajo luz UV. Se determinó que la estructura de bandas para las películas se determinó a través de la espectroscopía de impedancia electroquímica (EIE) donde en el SiC se obtuvo que la banda de conducción o PBP es de -1.0 eV y la del TiO2 es de -0.5 eV, y las bandas de valencia para el SiC y el TiO2 son de 2.2 y 2.8 eV respectivamente. En el caso de los materiales en forma de polvo, se obtuvieron resultados similares de potenciales variando los potenciales de las bandas de valencia que son para el SiC de 2.1 eV y para el TiO2 de 2.7 eV. Se determinó que los materiales de configuración SiC-TiO2 y TiO2-SiC, en forma de polvo y película, mostraron una importante actividad en la producción de hidrógeno vía fotocatalítica y fotoelectroquímica bajo luz UV. Encontrando que el SiC se funcionaliza por la adición del TiO2, y se estableció una relación sinérgica en su actividad, logrando alcanzar valores para las películas de 2419 µmol H2 g-1 por fotocatálisis y de 76000 µmol H2 g-1 h-1 cm-2 por fotoelectroquímica, para el SiC-TiO2 (80-20), y de 230 µmol H2 g-1 vía fotocatálisis y de 2000 µmol H2 g-1 h-1 cm-2 vía fotoelectroquímica para el TiO2SiC (80-20). Mientras que en el caso de los materiales en polvo se obtuvieron valores de 3300 µmol H2 g-1 por fotocatálisis y de 68000 µmol H2 g-1 h-1 cm-2 por fotoelectroquímica, para el SiC-TiO2 (80-20), y de 791 µmol H2 g-1 vía fotocatálisis y de 32000 µmol H2 g-1 h-1 cm-2 vía fotoelectroquímica para el TiO2-SiC (80-20). En particular, se concluye que la configuración SiC-TiO2 es la más favorable para resaltar dicha sinergia, y que ésta se encuentra presente tanto en las películas como en los materiales en polvo.

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