Nuevo Método de dopaje para el Óxido de Titanio (IV)

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Enegía (E) en función del número de átomos (N)

La Teoría de Bandas es la teoría según la cual se describe la estructura electrónica de un sólido com una estructura de bandas electrónicas o de energías. Al igual que en una molécula los orbitales de los átomos que la forman se solapan produciendo un número discreto de orbitales moleculares, en los sólidos, los orbitales de valencia de los átomos se solapan. Pero como el número de átomos que se unen es muy grande, el número de orbitales de valencia también y la diferencia de energías entre cada uno de los orbitales resultantes es muy pequeña. Tanto que se puede considerar como si los niveles de energía conjunta formaran bandas continuas más que niveles de energía como ocurre en átomos aislados. Sin embargo, debido a que algunos intervalos de energía no contienen orbitales, independientemente del número de átomos agregados, se crean ciertas brechas de energéticas entre diferentes bandas.

En cualquier sólido hay un gran número de bandas pero solo dos son de gran importancia:

Representación esquemática de las bandas energéticas de un sólido.

  • La banda de valencia: es la última banda ocupada por electrones (aquellos que ocupan la última capa o nivel energético de los átomos, electrones de valencia) Esta puede estar parcialmente o llena de electrones.
  • La banda de conducción: es la primera banda vacía. Esta puede estar ocupada por electrones libres, es decir, aquellos que se han desligado de sus átomos y pueden moverse fácilmente.

Según la posición de las bandas de valencia y de conducción podemos encontrarnos en tres situaciones:

Bandas de valencia y de conducción en un sólido conductor, semiconductor y aislante

  1. Un banda de valencia semillena de electrones (en el caso de los elementos alcalinos) o llena pero con la banda de conducción solapada en cierta extensión. Es la situación de los metales. Tanto si la banda de valencia está llena o no, los electrones tienen espacio para moverse libremente, explicándose así la conductividad electrónica de los conductores (metales).  En los semimetales el limite inferior de la banda de conducción se encuentra ligeramente por debajo del limite superior de la banda de valencia.
  2. La banda de conducción no se solapa con la banda de valencia llena. Entre ambas bandas existen una zona de energía prohibidas para los electrones (banda prohibida). La separación entre ambas, o lo que es lo mismo, la amplitud de la banda prohibida, suficientemente pequeña para que a temperaturas superiores al 0K (dependiendo del material en particular), la propis energía térmica de los electrones sea suficiente para promocionar a los electrones más energéticos de la banda de valencia (llena a 0K) a la de conducción (vacía a 0K). A temperaturas superiores al 0K existen suficientes electrones en la banda de conducción y los mismos “huecos” en la banda de valencia para que haya conductibilidad electrónica. Los materiales que estan en este caso se llaman materiales semiconductores.
  3. Si la separación energética entre la banda de valencia completamente llena y la de conducción vacía (amplitud de banda prohibida) es suficientemente grande para que, a temperaturas razonables, la energía térmica de los electrones no sea suficiente para promocionarse a niveles superiores. Los sólidos, en este caso, se les llaman, aislantes.

Niveles energéticos y procesos de excitación de electrones en las muestras N- TiO2 .

El óxido de Titanio (IV) o dióxido de Titanio (TiO
2
) es un atractivo semiconductor fotocatalizador de bajo coste utilizado en la purificación del agua, la disociación del agua y la energía solar. Cuando se irradia luz ultravioleta sobre TiO
2
, se genera un par electrón-hueco. La energía correspondiente a la luz ultravioleta (E=hv) es igual o superior a la energía del salto de banda  del TiO
2
(banda prohibida, 3eV) como semiconductor, por lo que se promueve un electrón de la banda de valencia hacía la banda de conducción generando un hueco (h+) en la banda de valencia. En el gráfico, presente en estas lineas, se representa los niveles energéticos y los procesos de excitación de electrones propuestos en las muestras N- TiO
2
. En las muestras irradiadas con UV , todas las excitaciones se verán facilitadas , mientras que las ( 2 ) – ( 4 ) solo son posibles bajo la luz visible (ver gráfica de los niveles energéticos y los procesos de excitación) .

El fuerte potencial oxidativo de los agujeros positivos creados (h+) oxida el agua para crear radicales hidroxilos (radicales libres) capaces de desencadenas otras reaciones, accelerando la reacción. Por lo tanto podemos decir que un process fotocatalítico se basa en la tranferencia de carga entre un semiconductor iluminado y una solución acuosa, “una reacción redox”.

Pero el TiO
2
tiene un pega, que solo cataliza las reacciones después de ser irradiado con luz ultravioleta. Esto se puede solucionar dopándolo. Como semiconductor, el TiO
2
, puede cambiar sus propiedades al añadirle pequeñas impurezas (dopándolo). Se ha visto que dopándolo con nitrogeno o trióxido de tungsteno también fotocataliza bajo luz visible (se reduce la banda probihida a menos de 2eV). La deposició catódica por magnetrón y el bombardeo de iones de alta energía son métodos de dopaje pero estos crean defectos en el TiO
2
reduciendo así la eficiencia fotocatalítica de este material.

Recientemente un grupo de científicos de Singapur han encontrado una nueva forma de dopar el TiO
2
con nitrógeno dirigiendole un haz de átomos de nitrógeno de baja energía y depositando así el nitrógeno en la superfície y manteniendo el material libre de defectos. El TiO
2
mostró fotoactividad cuando era iluminado con luz visible a diferencia del TiO
2
sin dopar y mostró mucho mayor fotoactividad bajo la iluminación de la ultraviolada en comparación con el TiO
2
dopado con otros métodos.

Fuentes:

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