Nano-fabricación de compósitos de anatasa y grafeno con aplicaciones en fotocatálisis

Abstract

In this work, a Titania (anatase)-graphene nanocomposite was synthesized by means of a simple mixing assisted by ultrasound and thin films of the nanocomposite were manufactured using the flow coating process. The methodological approach of this work is justified by the fact that titanium dioxide has been extensively investigated as a photocatalyst for water purification, however, it presents limitations such as the recombination of electron-hole pairs generated by photons and a high band gap value. Titania/graphene nanocomposites have shown promise in overcoming these limitations due to graphene's high specific area and unique electronic properties. In particular, a graphene/anatase nanocomposite with a sandwich structure is a frontier subject in research and the expectations of this nanocomposite are a very high specific area, as well as high generation and charge transport, which are properties that favor its application in photocatalysis and consequently it would make it possible to decrease the band gap of titania and avoid the recombination of electron-hole pairs. Graphene was obtained by electrochemical exfoliation of graphite (electrolysis) and titania-anatase was synthesized using the sol-gel method. In addition, hydrothermal treatments were performed to the TiO2 nanoparticles at 110 ° C for 24, 48 and 72 hours. The graphene/anatase nanocomposite was obtained by mixing assisted by ultrasound with a 50/50 ratio. Thin films of graphene/anatase nanocomposite were produced by the flow coating process on glass substrates. The graphene/titania nanocomposite and its precursors, graphene and anatase, were characterized with the X-ray diffraction technique (XRD) to identify the crystalline planes present in each one. On the other hand, the morphology of the samples was observed with the Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM) techniques.

En este trabajo se sintetizó un nanocompósito Titania (anatasa)-grafeno mediante una mezcla simple asistida por ultrasonido y se fabricaron películas delgadas del nanocompósito con el proceso de recubrimiento por flujo. El enfoque metodológico de este trabajo se justifica por el hecho de que el dióxido de titanio ha sido extensamente investigado como fotocatalizador para la purificación de agua, sin embargo, presenta limitantes como la recombinación de pares electrón-hueco generados por fotones y un alto valor de banda prohibida. Los nanocompósitos titania/grafeno han resultado prometedores para superar dichas limitaciones debido a la alta área específica del grafeno y sus propiedades electrónicas únicas. En particular, un nanocompósito grafeno/anatasa con estructura tipo sándwich es un tema de frontera en investigación y las expectativas de este nanocompósito son un área específica muy elevada, así como alta generación y transporte de cargas, que son propiedades que favorecen su aplicación en fotocatálisis y en consecuencia permitiría disminuir la banda prohibida de la titania y evitar la recombinación de pares electrón-hueco. El grafeno se obtuvo mediante la exfoliación electroquímica de grafito (electrólisis) y la titania-anatasa se sintetizó usando el método sol-gel. Adicionalmente a la titania se le realizaron tratamientos hidrotermales a 110 °C por 24, 48 y 72 horas. El nanocompósito grafeno/anatasa fue obtenido mediante una mezcla asistida por ultrasonido con una proporción 50/50. Las películas delgadas de nanocompósito grafeno/anatasa se produjeron con el proceso de recubrimiento por flujo sobre sustratos de vidrio. El nanocompósito grafeno/titania y sus precursores, el grafeno y la anatasa, se caracterizaron con la técnica de difracción de rayos X (DRX) para identificar los planos cristalinos presentes en cada uno. Por otro lado, la morfología de las muestras fue observada con las técnicas de Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) y Microscopía Electrónica de Transmisión (MET).