Electrochemical characterization of reduced TiO2 in non-aqueous electrolytes
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Resumen
El TiO₂ “reducido” ha sido ampliamente estudiado debido a sus propiedades fotocatalíticas y ópticas, que en muchos casos son mejores que las del TiO₂ prístino. Una de las formas de reducir TiO2 es haciendo uso de métodos electroquímicos, sin embargo, procesos como la síntesis de hidrógeno y la resuspensión de las partículas de TiO2 durante la reducción electroquímica del TiO₂ hace que este proceso no sea muy eficiente en electrolitos acuosos. En esta tesis, se evalúan sistemáticamente los procesos fotoelectroquímicos asociados a la reducción del TiO₂ en electrolitos no acuosos, tanto en electrolitos disueltos en acetonitrilo como en líquidos iónicos puros. El estudio se realizó sobre películas de TiO₂-P25 sintetizadas mediante un protocolo que hace uso de la electroforesis y electrocoagulación para formar las películas de TiO2. Las técnicas electroquímicas proporcionaron información valiosa sobre la estructura de la banda de conducción del TiO₂, la cinética de transferencia de carga en la interfaz TiO₂/electrolito, y la “difusión de electrones” dentro de las películas de TiO₂. Adicionalmente, se hicieron estudios espectroscópicos mediante espectroscopía Raman, espectroscopía de reflectancia difusa, espectroscopía de rayos X por dispersión de energía, espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica y microscopía electrónica de barrido. Además, se diseñó y optimizó una celda fotoelectroquímica bidimensional basada en películas comerciales de TiO₂. En este trabajo, se determinó que propiedades del electrolito como la hidrofobicidad, acidez y basicidad, carácter cosmotrópico y caotrópico, polarizabilidad y polaridad influyen de manera determinante en la actividad fotocatalítica y en la cinética de trasferencia de carga de las películas de TiO₂ reducido. En conclusión, este trabajo amplía la comprensión de las propiedades fotoelectroquímicas de películas de TiO₂ en electrolitos no acuosos. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
Reduced TiO2 materials have been extensively studied for their enhanced photocatalytic and optical properties compared to pristine TiO2; however, hydrogen evolution and particle suspension severely hinder TiO2 electrochemical reduction on standard electrolytes, i.e., aqueous media. In this thesis, the underlying photoelectrochemical processes associated with TiO2 reduction in non-aqueous electrolytes were systematically evaluated, in both acetonitrile-based electrolytes and pure ionic liquids. The study was performed on nanostructured TiO2-P25 films synthesized using a mixed electrophoretic deposition/electrocoagulation protocol. Electrochemical techniques provided valuable information to analyze the structure of TiO2 conduction band, the kinetics of electron and ionic transfer at the TiO₂/electrolyte interface, and electron diffusion within the TiO₂ films. These results were further supported by spectroscopic data using Raman spectroscopy, diffuse reflectance spectroscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, electron-paramagnetic resonance spectroscopy, and scanning electron microscopy. In addition, a two-dimensional photoelectrochemical cell based on commercial TiO₂ films was designed and optimized. In the present work, it was determined that the electrolyte properties like hydrophobicity, acidity and basicity, kosmotropic and chaotropic character, polarizability, and polarity strongly determine the photocatalytic activity and kinetics of the reduced TiO2 films. In conclusion, this thesis advances the understanding of TiO2 photoelectrochemistry in non-aqueous electrolytes.
Descripción
ilustraciones a color, diagramas, fotografías
Palabras clave propuestas
Reduced TiO2; TiO2 reducido; Non-aqueous electrolytes; Electrolitos no acuosos; Electrochemical impedance spectroscopy; Espectroscopía de impedancia electroquímica; Conduction band structure; Estructura de banda de conducción; Semiconductor/electrolyte interface; Interfaz semiconductor/electrolito; Two-dimensional photoelectrochemical cell; Celda fotoelectroquímica bidimensional
Términos Normalizados
ANALISIS ELECTROQUIMICO; Electrochemical analysis; ELECTROQUIMICA-APARATOS E INSTRUMENTOS; Electrochemical apparatus; SOLUCIONES ELECTROLITICAS; Electrolyte solutions; COMPUESTOS DE TITANIO; Titanium compounds; 540 - Química y ciencias afines::541 - Química física; 540 - Química y ciencias afines::546 - Química inorgánica