Modificación de propiedades fisicoquímicas de las superficies TiO₂ y Ru mediante bombardeo iónico

Resumen

En este trabajo hemos estudiado diversas propiedades de la superficie de dos materiales con el fin de comprobar la influencia de la modificación inducida mediante bombardeo iónico sobre ellas. Los materiales estudiados son el dióxido de titanio y el rutenio. Las propiedades estudiadas son, para el óxido de titanio, la estructura y la hidrofilicidad, y para el rutenio, su actividad catalítica. Estas propiedades presentan una gran importancia de cara a algunas de las aplicaciones prácticas de estos materiales: - La estructura de un material es una característica que define muchas de sus propiedades. Por ello, al modificar la estructura superficial estamos modificando también su interacción con el ambiente y sus propiedades intrínsecas, como la resistencia eléctrica. - La hidrofilicidad es una propiedad relacionada con diversas aplicaciones de los óxidos, entre otros motivos porque éstos con frecuencia se forman cuando un metal es introducido en un medio con agua. En el caso del dióxido de titanio, esta propiedad es especialmente interesante debido al comportamiento inusual al incidir luz ultravioleta sobre su superficie, induciéndose un estado de superhidrofilicidad. - La actividad catalítica de la superficie del rutenio está relacionada directamente con las pilas de combustible, entre otras aplicaciones. Este material muestra una gran diferencia en su comportamiento catalítico en condiciones de ultraalto vacío y en condiciones de trabajo. Es por esto que existe una cierta polémica sobre cuál es su estado de oxidación cuando su actividad catalítica es alta, habiendo tanto estudios que apoyan la opción de la superficie de rutenio metálico con oxígeno quimisorbido como la opción de la formación de un óxido o capa superficial - preóxido. Los resultados obtenidos se resumen en los puntos siguientes: En lo que a la estructura se refiere, hemos determinado mediante diversas técnicas de difracción y microscopía la formación de una capa superficial de TiO de estructura rocksalt al bombardear la superficie del TiO2(110) de estructura rutilo. Este cambio de estructura y de tipo de óxido se produce principalmente por el buen ajuste que existe entre la celda unidad de los dos materiales, especialmente en una de las dos direcciones del plano superficial. En cuanto al estudio de la hidrofilicidad, la superficie modificada presenta un comportamiento más hidrofóbico que la superficie plana. Esto se traduce principalmente en un valor más alto para el ángulo de contacto. También en la condensación de la humedad ambiental sobre la superficie al descender la temperatura hemos observado una tendencia a presentar gotas de menor área y mayor espesor, si bien parte de la mayor área que forman las gotas en la superficie plana viene dada por un proceso de coalescencia a partir de un alto número de centros de nucleación, número que se reduce para la superficie bombardeada. Por último, para estudiar la actividad catalítica de la superficie del rutenio, hemos hecho el estudio contemplando los parámetros de temperatura, condiciones oxidantes o reductoras, y modificación de la superficie. En general, hemos hallado que en el caso de usar condiciones reductoras, la actividad catalítica muestra una baja sensibilidad ante el resto de parámetros, mientras que al usar condiciones oxidantes, tanto la temperatura como el estado de la superficie influyen considerablemente sobre la actividad catalítica. La optimización de esta actividad se produce para las temperaturas más altas y la superficie modificada, siempre y cuando aún no se haya alcanzado la formación total del óxido de rutenio.