Produção, caracterização morfológica e nitretação de nanotubos de TiO2.

• Main Author: Bonelli, Thiago Scremin
• Other Authors: Pereyra, Inês
• Format: Others
• Language: pt
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2017
• Subjects: Anodização; Anodization; Fotocatálise; Gap reduction; Nanotubos; Nitration; Photocatalytic; TiO2 nanotubes
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3140/tde-08012018-103731/

Nos últimos anos, óxidos metálicos têm sido amplamente estudados para uma série de aplicações na indústria eletrônica e metalúrgica, sendo empregados em revestimentos anticorrosivos, sensores químicos, em dispositivos optoeletrônicos sensíveis, entre outros. Dentre os óxidos metálicos, o TiO2 (óxido de Titânio) tem enorme potencial em aplicações como sensor de gás, sensor de pH e em dispositivos fotossensíveis como células solares sensibilizadas por corante e para degradação fotocatalítica de compostos orgânicos. Há várias morfologias que podem ser obtidas para o TiO2, porém a de maior interesse atualmente é a de arranjos ordenados de nanotubos de TiO2 produzidos pelo processo de anodização do Ti, que por terem maior área superficial que outras morfologias como por exemplo, filmes finos, nanopilares e nanobastões, apresenta também maior sensibilidade à presença dos gases e/ou soluções a serem analisados, assim como maior absorção de fótons, além de uma menor recombinação de pares elétron-lacuna no material. Apesar destas várias vantagens, a atividade fotocatalítica do TiO2 é limitada por absorver apenas radiação ultravioleta devido a seu largo gap de aproximadamente 3,2 eV. Assim, neste trabalho foram produzidos nanotubos de TiO2 pelo processo de oxidação anódica do Ti, com diferentes parâmetros, correlacionando-os com a morfologia resultante. Com isso foi possível observar que o comprimento e diâmetro externo dos nanotubos de TiO2 crescem proporcionalmente com o aumento da tensão, sendo aproximadamente linear até um dado valor de saturação. A exceção a isto refere-se a nanotubos de TiO2 crescidos a partir de Ti depositado e substratos de vidro, no qual, há uma limitação de Ti a ser anodizado, de modo que após a conversão total do Ti em óxido não há mais o crescimento de nanotubos, porém os diâmetros gerados respeitam os mesmos valores para os casos em que não há essa limitação. Os nanotubos de TiO2 crescidos foram submetidos a processos de nitretação em um reator de deposição química a vapor assistida por plasma e os parâmetros foram avaliados com o intuito de encontrar as melhores condições para diminuição de seu gap, afim de aumentar sua atividade fotocatalítica. Pressão e potência de rádio frequência foram variados de 0,66 a 2,66 mBar (0,50 a 2,00 Torr) e 0,22 a 3,51 W/cm2 respectivamente. A maior diminuição no valor do gap, para 2,80 eV, foi obtida usando-se a pressão de 1,33 mBar (1,00 Torr), 1,75 W/cm2 de potência de rádio frequência durante um processo de 2 h a 320 °C, levando a uma diminuição de 14% no valor do gap e a um aumento de 25% na atividade fotocatalítica (redução de Azul de Metileno). Essa diminuição no valor do gap óptico dobra a abrangência de absorção de fótons de 5% para 10% do espectro solar. Os nanotubos de TiO2 nitretados produzidos com gap de 2,80 eV foram facilmente integrados a um microcanal de polidimetilsiloxano, produzindo um dispositivo fotocatalítico para estudo na fotodegradação de compostos orgânicos, podendo ser usado inclusive para redução de poluentes. O dispositivo fotocatalítico reduziu completamente 5 µL de solução de Azul de Metileno em cerca de 12 min, com uma taxa aproximadamente linear de 130 µM/h, enquanto os nanotubos de TiO2 como preparados apresentaram taxa de cerca de 115 µM/h. Logo, o dispositivo com nanotubos de TiO2 nitretados teve um aumento de 13% em sua eficiência de redução. === In recent years, metal oxides have been widely studied for a number of applications in the electronics and metallurgical industry, being used in anticorrosive coatings, chemical sensors, sensitive optoelectronic devices, among others. Among the metal oxides, TiO2 (titanium oxide) has enormous potential in applications such as gas sensor, pH sensor and in photosensitive devices such as dye sensitized solar cells and for photocatalytic degradation of organic compounds. There are several morphologies that can be obtained for TiO2, but the most interesting one today is ordered arrangements of TiO2 nanotubes produced by the Ti anodization process, which have a larger surface area than other morphologies such as thin films, nanopillars and nanobastones, also presents greater sensitivity to the presence of the gases and/or solutions to be analyzed, as well as greater absorption of photons, besides a smaller recombination of electron-hole pairs in the material. Despite these several advantages, the photocatalytic activity of TiO2 is limited by absorbing only ultraviolet radiation due to its wide gap of approximately 3.2 eV. Thus, in this work, TiO2 nanotubes were produced by the anodic oxidation process of Ti, with different parameters, correlating them with the resulting morphology. With this, it was possible to observe that the length and external diameter of the TiO2 nanotubes grow proportionally with the increase of the voltage, being approximately linear up to a given value of saturation. The exception to this relates to TiO2 nanotubes grown from Ti deposited and glass substrates, in which, there is a limitation of Ti to be anodized, so that after the total conversion of Ti to oxide, there is no longer growth of nanotubes, but the diameters generated respect the same values for cases in which there is no such limitation. The as grown TiO2 nanotubes were submitted to nitriding processes in a plasma assisted chemical vapor deposition reactor and the parameters were evaluated in order to find the best conditions to decrease their gap in order to increase their photocatalytic activity. Pressure and radio frequency power were varied from 0.66 to 2.66 mBar (0.50 to 2.00 Torr) and 0.22 to 3.51 W/cm2 respectively. The largest decrease in the gap value, to 2.80 eV, was obtained using the pressure of 1.33 mbar (1.00 Torr), 1.57 W/cm2 of radio frequency power during a process of 2 h in 320 °C, leading to a 14% decrease in gap value and a 25% increase in photocatalytic activity (reduction of Methylene Blue). This decrease in the value of the optical gap doubles the absorption range of photons from 5% to 10% of the solar spectrum. The nitrided TiO2 nanotubes produced with a gap of 2.80 eV were easily integrated into a microchannel of polydimethylsiloxane, producing a photocatalytic device for the study of photodegradation of organic compounds, and could be used to reduce pollutants. The photocatalytic device completely reduced 5 µL of Methylene Blue solution in about 12 min, with an approximately linear rate of 130 µM/h, whereas the TiO2 nanotubes as grown presented a rate of about 115 µM/h. Therefore, the device with nitrided TiO2 nanotubes had a 13% increase in its reduction efficiency.