Origen de la fotoactividad del dióxido de titanio dopado con nitrógeno bajo luz visible

Área de la Ciencia:

• Ciencia de los materiales Ciencia de los materiales.
• La fotocatálisis por fotocatálisis.
• Química del estado sólido.

Sus antecedentes:

• El dióxido de titanio (TiO2) es un fotocatalizador ampliamente estudiado, pero su aplicación está limitada por su amplio espacio de banda, que requiere la activación de la luz UV.
• Los fotocatalizadores sensibles a la luz visible son cruciales para la expansión de las aplicaciones de energía solar.
• El dopaje de nitrógeno es una estrategia común para reducir la brecha de banda de TiO2, lo que permite la actividad de la luz visible.

Objetivo del estudio:

• Para investigar la estructura electrónica y el mecanismo fotocatalítico de la luz visible del dióxido de titanio (N-TiO2) dopado con nitrógeno.
• Para caracterizar la naturaleza y el comportamiento de las impurezas de nitrógeno monoatómico en la red de TiO2.
• Para dilucidar los procesos de transferencia de electrones que ocurren en N-TiO2 bajo irradiación de luz visible.

Principales métodos:

• Combinación de enfoque experimental y teórico.
• Espectroscopia de resonancia paramagnética de electrones (EPR, por sus siglas en inglés).
• Cálculos de la Teoría Funcional de Densidad (DFT) (implicado por el enfoque teórico).

Principales resultados:

• El N-TiO2 contiene impurezas de nitrógeno monoatómico que forman centros diamagnéticos (Nb-) y paramagnéticos (Nb*).
• Estos centros de nitrógeno crean estados localizados dentro de la brecha de la banda TiO2.
• Los espectros de EPR bajo irradiación confirman que los centros de Nb absorben la luz visible, promoviendo electrones de estados localizados a la banda de conducción o a los carroñeros de superficie.
• La abundancia de centros Nb- y Nb* está influenciada por el estado de oxidación del material.

Conclusiones:

• Las impurezas de nitrógeno monoatómico en TiO2 son responsables de su actividad fotocatalítica en luz visible.
• El estudio proporciona una caracterización detallada de los estados electrónicos asociados con las impurezas N.
• Se establece por primera vez una imagen mecanicista de la promoción y transferencia de electrones en N-TiO2 bajo luz visible.