Micro y nanoestructuras de óxidos de estaño y sus nanocompuestos con óxido de grafenosíntesis, luminiscencia y aplicaciones en energía

Resumen

En esta tesis doctoral se exponen y discuten los resultados relativos a la síntesis de nanopartículas de SnO2 dopadas con Li y el crecimiento de microestructuras alargadas mediante un método de vapor-sólido. También se han sintetizado materiales compuestos de estas nanopartículas con una matriz de óxido de grafeno. Además, se ha estudiado su aplicación como materiales luminiscentes y su uso en celdas electroquímicas de ión-Li para el almacenamiento de energía. Inicialmente, se presenta una introducción sobre estos materiales, así como las aplicaciones en las que han sido empleados y los objetivos de esta tesis. Se ha descrito el método para la obtención de nanopartículas de SnO2 sin dopar y dopadas con Li sintetizadas mediante un método de precursores polimérico. La estructura cristalina que presentan es rutilo, con tamaños de partícula nanométricos y una incorporación efectiva de Li. Se han estudiado las variaciones que induce el dopado con Li tanto en los estados de oxidación del Sn, como en la reducción del nivel de Fermi respecto al máximo de la banda de valencia en superficie. Además, se ha encontrado que la emisión pancromática de las muestras está compuesta por cuatro bandas, tres de ellas en el rango visible, asociadas a defectos intrínsecos del SnO2 y una banda en el ultravioleta. También se han estudiado las microestructuras alargadas de SnO2 que han sido crecidas mediante la técnica de vapor-sólido empleando dos precursores diferentes. Estos microtubos presentan dimensiones de varios milímetros de longitud con secciones cuadradas y huecas entre 60 - 100 micrómetros, Las microestructuras alargadas presentan una estructura cristalina de tipo rutilo, con las caras laterales de la familia de planos {110} y dirección de crecimiento [001]. Las medidas de XPS, determinaron la presencia de Li en los microtubos, y un desplazamiento del máximo de la banda de valencia hacia el nivel de Fermi al dopar con Li. Se ha observado una banda en próxima al infrarrojo cercano (~ 1.52 eV), la cual asociamos a defectos intrínsecos del SnO2 que pueden ser inducidos debidos a la incorporación del Li en la red cristalina. Los composites de óxido de grafeno y nanopartículas de SnO2 fueron sintetizados por un método ex-situ mediante ultrasonidos que no introduce un elevado grado de oxidación o reducción en las muestras. Por otra parte, también se han estudiado estos materiales mediante distintas técnicas, identificándose contribuciones provenientes de diferentes grupos funcionales. Por último, la estructura de defectos de los composites y su emisión luminiscente se han estudiado mediante la técnica de fotoluminiscencia, encontrándose efectos sinérgicos relacionados con la presencia de Li y la formación del composite. Asimismo, se ha encontrado que la emisión luminiscente de estos materiales es cercana al blanco lo que amplía sus posibles aplicaciones. Asimismo, se han comprobado las prestaciones de las nanopartículas en aplicaciones de energía, como electrodos en celdas electroquímicas, mediante medidas galvanoestáticas, donde se ha examinado la posible influencia del dopado de Li en la variación de la capacidad en función del número de ciclos. Por último, se han fabricado varios composites con diferentes proporciones de SnO2 y TiO2. Los resultados engloban las diferencias más características en términos de capacidad y estabilidad, así como posibles efectos durante el proceso de ensamblaje que condicionan sus propiedades. La última parte presentada en la memoria recoge las conclusiones más relevantes obtenidas de los resultados obtenidos y la bibliografía utilizada.