Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/2445/102502
Title: Efectes de la il·luminació sobre els òxids metàl·lics: aplicacions a sensors de gasos i fotoreducció de CO₂Efectes de la il·luminació sobre els òxids metàl·lics: aplicacions a sensors de gasos i fotoreducció de CO₂
Author: Manzanares Altés, Marta
Director: Morante i Lleonart, Joan Ramon
Andreu Arbella, Teresa
Keywords: Òxids metàl·lics
Detectors de gasos
Catàlisi
Fotoelectroquímica
Metallic oxides
Gas detectors
Catalysis
Photoelectrochemistry
Issue Date: 1-Feb-2016
Publisher: Universitat de Barcelona
Abstract: [cat] La interacció de la llum amb els òxids metàl.lics (MOX's) semiconductors, sempre i quan l'energia dels fotons sigui superior a l'amplada de la banda prohibida, produeix un increment significatiu de la densitat de portadors de càrrega en el semiconductor, ja que cada fotó incident genera, de forma molt eficient, un parell electró—forat (e- — h+). Aquests portadors de càrrega fotogenerats poden migrar a la superfície del semiconductor i interactuar amb espècies donadores o acceptadores d'electrons, propiciant les reaccions de tipus redox. Aquest fenomen rau en la base de la fotocatàlisi heterogènia i fa dels òxids metàllics semiconductor uns materials molt atractius com a catalitzadors. L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi de dues aplicacions directes de la interacció entre gasos i la superfície dels òxids metàl.lics semiconductors activats mitjançant radiació lumínica: els sensors de gasos i la fotoreducció de CO2. • Sensors de gasos Un dels principals inconvenients dels sensors de gasos és que, per tal de propiciar i accelerar les reaccions d'adsorció i desorció de les molècules de gas sobre la superfície del semiconductor, han d'operar a alta temperatura. La necessitat d'un sistema calefactor en el dispositiu limita les seves aplicacions, per exemple, en medis amb gasos explosius. Substituir l'activació tèrmica del sistema per una activació lumínica permetria augmentar-ne el ventall de possibles aplicacions. Tradicionalment, el Sn02, el WO3 i el In203, entre d'altres, s'han emprat en els sensors químics resistius. En el present treball s'estudia el comportament d'aquests òxids metàl.lics sota il•luminació UVA. Per tal d'augmentar-ne l'estabilitat i la resposta, s'utilitzen estructures nanomètriques (Nanofils de Sn02) i mesoporoses (W03 i In203amb estructures KIT-6). s’estableix una relació entre el flux de fotons que incideixen sobre la superfície dels òxids metàl·lics i el comportament dels sensors (resposta, temps de transició, estabilitat, etc.). Els mecanismes de detecció s’associen a la competència entre el NO2 i el O2 per adsorbir-se sobre els mateixos llocs actius, i com la llum influeix en aquesta competència. De l’altra banda, s’estudia el fenomen de la fotoconductivitat i de la seva persistència (PPC per Persistent Photoconductivity) en diferents condicions de treball i se suggereix que el seu origen està relacionat no només amb l’augment de portadors de càrrega induït per la radiació, sinó també amb la desorció directa dels O2 adsorbits en superfície i la fotoreducció de l’òxid metàl·lic. • Fotoreducció de CO2 La fotoreducció de CO2 assistida per H2O és una alternativa al emmagatzemament geològic força prometedora. Aprofitant la interacció de la radiació UV i solar, es pot aconseguir reduir el CO2 per convertir-lo en hidrocarburs que puguin ser reutilitzats en el cicle energètic (hidrogen, metà, età, metanol, etanol...). La selectivitat i eficiència del procés depèn en bona part del material fotocatalític emprat. En aquest treball, amb l’objectiu de millorar aquests materials, els esforços s’han centrat en semiconductors fotosensibles nanoestructurats (nanopartícules de TiO2) modificats amb additius altament dispersats (Mg, Ca, In i Pt). L’activitat fotocatalítica dels material s’ha testat en un reactor bifàsic (sòlid–gas) emprant un simulador solar com a font de llum i amb una atmosfera humida. Les mostres de Pt-TiO2 exhibeixen una alta selectivitat cap a la producció de H2. En canvi, les mostres de Mg-TiO2, Ca-TiO2 i In-TiO2 amb baixes concentracions d’additiu (0.2 i 0.5 wt%) mostren una millora en la productivitat d’hidrocarburs (especialment, CH4), respecte de les mostres de TiO2 pur. La caracterització òptica i estructural dels catalitzadors relaciona la 3+ productivitat amb els estats superficials, en concret amb l’abundància de Ti i grups hidroxils presents a la superfície. Els resultats també suggereixen que la selectivitat cap a la producció de un o altre hidrocarbur pot estar relacionada amb la basicitat del catalitzador i els additius emprats.
[eng] The interaction of light with metal oxides (MOX's) semiconductors, as long as photons have enough energy, produces an increase in the density of charge carriers in the semiconductor. The photogenerated charge carriers can migrate to the surface of the semiconductor and interact with electron acceptors or donors species, leading to redox reactions. This phenomenon lies at the basis of the heterogeneous photocatalysis. The aim of this thesis is to study two direct applications of the interaction between gases and the surfaces of metal oxide activated by light radiation: gases sensors and CO2 photoreduction. * Gas sensors One of the main drawbacks of gas sensors is that they must operate at high temperatures, which limits the range of possible applications. Light activation could help to overcome this limitation. In the present work, Sn02, WO3 and In203 were studied as chemiresistor gas sensors under UV illumination. To improve their stability and response, nanometric (Sn02) and mesoporous (W03 and In203) structured materials were used. At room temperature, photoactivated sensors show a reversible response to oxidizing gases (NO2) not seen in dark conditions. A relation between the photon flux and the sensor behaviour is established. Detection mechanims are determined by the competition between NO2 and 02 to adsorb on the same active sites, and light modulate the adsorption rates. The photoconductivity and its persistence were also studied. Results suggest that these phenomena are related to charge carrier generation, to the direct desorption of surface 02 species and to the photoreduction of the MOX. * CO2 photoreduction Artificial photosynthesis is a promising alternative to the geological sequestration. Using the interaction between solar radiation and MOX’s, CO2 could be reduced to obtain reusable hydrocarbons. The selectivity and the efficiency of the process depend on the photocatalyst. In the present work, to improve the photocatalysts, efforts were focused on photosensitive semiconductors nanostructures (TiO2) modified by highly dispersed additives (Mg, Ca, In and Pt). The photocatalytic activity of these materials was tested in a biphasic reactor using a solar simulator as light source. Pt‐TiO2 samples exhibit a high selectivity towards the production of H2. Mg‐TiO2, Ca‐TiO2 and In‐TiO2 samples with low amount of additive show an improvement in the hydrocarbons productivity compared to pure TiO2. According to the optical and the structural characterization, the productivity is related to the surface states of the catalyst, particularly 3+ with Ti and hydroxyl groups. Results also suggest that the selectivity of the by‐products could be related to the basicity of the catalysts.
URI: http://hdl.handle.net/2445/102502
Appears in Collections:Tesis Doctorals - Departament - Electrònica

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
MMA_TESI.pdf10.44 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.