Carga fácil de nanopartículas de CeO₂ en arreglos de nanotubos de TiO₂ anódicos mediante descomposición térmica

Resumen

Este estudio presenta un método sencillo y de bajo costo para decorar arreglos de nanotubos (NT) de TiO₂ anódicos con nanopartículas (NP) de óxido de cerio (CeO₂). Aprovechando los NT de TiO₂ como nano-contenedores, se introduce una solución diluida de Ce(NO₃)₃ en los tubos, seguida de un recocido a 450 °C que descompone térmicamente el precursor en NP cristalinas de CeO₂ cúbico. Difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopía Raman y espectroscopía de rayos X dispersiva en energía (EDS) confirman la formación de una heterounión CeO₂/TiO₂ bien ordenada. El compuesto resultante ofrece actividad fotocatalítica mejorada y promete para remediación ambiental y aplicaciones energéticas.

Antecedentes

El dióxido de titanio, especialmente su polimorfo anatasa, sigue siendo un fotocatalizador de referencia debido a su amplia banda prohibida (~3,2 eV), estabilidad química y naturaleza no tóxica. Sin embargo, la rápida recombinación de pares electrón-hueco fotogenerados limita su eficiencia práctica. Cargar TiO₂ con un semiconductor de banda más estrecha como CeO₂ cúbico (banda ~2,92 eV) puede crear una heterounión que facilite separación de cargas, aumente producción de radicales y mejore degradación fotocatalítica de contaminantes orgánicos y rendimiento de detección de gases.

Rutas de síntesis convencionales (sol-gel, hidrotérmico) a menudo producen polvos CeO₂/TiO₂ con procedimientos complejos. En contraste, nuestro método deposita directamente CeO₂ sobre arreglos de NT de TiO₂ autoorganizados, simplificando fabricación mientras asegura contacto íntimo entre las dos fases.

Sección Experimental

Síntesis de arreglos de nanotubos de TiO₂

Láminas de Ti comerciales (5 × 1,5 cm) se limpiaron ultrasónicamente, luego se anodizaron en electrolito glicol (10 mL H₂O, 1,66 g NH₄F) a 60 V durante 2 h. Las películas amorfas de TiO₂ resultantes se recocieron a 450 °C durante 3 h para obtener NT densos de anatasa con ~110 nm de diámetro.

Carga de Ce(NO₃)₃ y formación de heterouniones CeO₂/TiO₂

Cada película de NT de TiO₂ se sumergió brevemente (3 s) en soluciones de Ce(NO₃)₃ de concentración variable (0,05-1 mol L⁻¹). El exceso de solución se eliminó por filtración e inclinación suave para promover llenado uniforme. Las películas se secaron a 70 °C durante 1 h, seguido de recocido a 450 °C durante 2 h para descomponer Ce(NO₃)₃ en NP de CeO₂ dentro de las paredes del nanotubo.

Caracterización

• Fases cristalinas: XRD (D/max 2400 X Series).
• Morfología: SEM (JSM-7000F, JEOL).
• Mapeo elemental: EDS.
• Análisis vibracional: Raman (inVia, Renishaw).

Resultados y Discusión

Cristalinidad

Patrones XRD revelan picos de anatasa TiO₂ (p. ej., 25,28°, 36,80°) junto a reflexiones de CeO₂ cúbico (111 a 28,55°, 200 a 33,08°). El aumento de concentración de Ce(NO₃)₃ incrementa la intensidad de picos CeO₂, confirmando incorporación exitosa.

Morfología superficial

Imágenes SEM muestran NT de TiO₂ densamente empaquetados, de boca abierta (~110 nm diámetro). Tras la carga, NP de CeO₂ decoran bocas de tubo y paredes interiores, con densidad de partícula aumentando con concentración de precursor. El espesor de pared del nanotubo también crece ligeramente debido a deposición de NP.

Composición elemental

Espectros EDS para NT de TiO₂ puros muestran solo Ti y O. Tras carga (0,1 mol L⁻¹ Ce(NO₃)₃), Ce es detectable (~12 % at), confirmando deposición exitosa de NP.

Espectroscopía Raman

Picos característicos de anatasa a ~400, 530 y 645 cm⁻¹ persisten, mientras emerge nuevo pico a ~460 cm⁻¹, atribuible a CeO₂ cúbico. Esto corrobora la estructura bifásica.

Mecanismo

La descomposición térmica de Ce(NO₃)₃ dentro de los NT de TiO₂ sigue:

Ce(NO₃)₃·6H₂O → Ce(NO₃)₃ + 6H₂O
Ce(NO₃)₃ → CeO₂ + NO↑ + O₂↑

Así, NP de CeO₂ se forman in situ, firmemente ancladas a las paredes de TiO₂.

Aplicaciones potenciales

Al mitigar recombinación de cargas y mejorar adsorción superficial, las heterouniones CeO₂/TiO₂ exhiben degradación fotocatalítica mejorada de contaminantes, potencial para evolución de hidrógeno y detección de oxígeno a baja temperatura.

Conclusiones

Hemos demostrado una ruta simple y escalable para producir películas de heterounión CeO₂/TiO₂ llenando arreglos de NT de TiO₂ anódicos con Ce(NO₃)₃ y descomponiendo térmicamente el precursor. Las películas resultantes combinan la alta área superficial de NT de TiO₂ con las propiedades electrónicas favorables de CeO₂, ofreciendo una plataforma prometedora para tecnologías energéticas y ambientales.

Abreviaturas

• EDS – Espectrometría dispersiva en energía
• NT – Nanotubo
• SEM – Microscopía electrónica de barrido
• XRD – Difracción de rayos X