Micro-nanoestructuras de NIOSíntesis, dopado con sn y aplicaciones tecnológicas en energía y sensado

Resumen

El NiO es uno de los pocos óxidos semiconductores tipo p de forma intrínseca que existe, en contraste con una gran mayoría de óxidos semiconductores que presentan intrínsecamente carácter tipo n debido a vacantes de oxígeno. En las últimas décadas se está explotando este material debido a su amplia versatilidad en campos de investigación relacionados con dispositivos electrocrómicos, dispositivos magnéticos o dispositivos de almacenamiento de energía como las baterías de ion-litio o los supercapacitores [1, 2]. Además, este óxido destaca por su elevada estabilidad tanto química como térmica, su bajo coste de producción y su baja toxicidad. Mediante el control preciso de los parámetros experimentales se puede llegar a modular las dimensiones y morfologías de este material, reduciendo el tamaño del NiO y abriendo aún más el campo de aplicación. Otra manera de incrementar y/o mejorar sus aplicaciones, es mediante la incorporación de dopantes de forma controlada, modificando de esta manera sus propiedades ópticas, estructurales o magnéticas entre otras. En este trabajo de investigación se han sintetizado y caracterizado micro- y nanoestructuras de NiO puro y dopadas con Sn mediante distintos tratamientos térmicos basado en la oxidación del níquel metálico y mediante el empleo de un método hidrotermal basado en procesos de química suave. El empleo de distintos tratamientos térmicos para la obtención de micro- y nanoestructuras de NiO puro y con Sn permite obtener material robusto de elevada calidad cristalina, escalable y a bajo coste, evitando además el uso de catalizadores o sustratos externos. La síntesis de estas estructuras requiere de un control preciso sobre los parámetros de crecimiento tales como la temperatura, la duración de los tratamientos, el flujo del gas de arrastre (Ar), o el precursor empleado para la incorporación del dopante. Por otro lado, y de manera análoga, se han sintetizado nanoestructuras de NiO puras y sin dopar mediante un método hidrotermal. Es bien sabido que las rutas químicas en vía húmeda favorecen la difusión catiónica necesaria para que se produzca la incorporación de dopante, además de conseguir una mayor homogeneidad morfológica y estructural. En este caso, es necesario optimizar las condiciones de síntesis mediante el control de parámetros tales como la temperatura de la reacción hidrotermal, el pH de la disolución o los precursores empleados. La caracterización avanzada llevada a cabo en este trabajo de investigación para el análisis de las propiedades más relevantes de estos materiales se basa en técnicas de microscopía y diversas espectroscopías. En el primero de los casos se han empleado técnicas de microscopía electrónica de barrido (SEM) y de transmisión (TEM). En cuanto a las técnicas espectroscópicas empleadas se encuentran la espectroscopía Raman VIS (633 nm) y UV (325 nm), la catodoluminiscencia (CL) en el interior de un SEM, la fotoluminiscencia (PL), dispersión de rayos X en energías (EDS), difracción de electrones retrodispersados (EBSD) y espectroscopía de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS). Asimismo, se ha utilizado la difracción de rayos X (XRD) para caracterizar la estructura cristalina obtenida en cada caso. En el caso de las nanoestructuras sintetizadas mediante un método hidrotermal, también se han medido las propiedades texturales mediante isotermas de adsorción/desorción de N2 realizando además una caracterización electroquímica basada en técnicas de voltametría cíclica y cronopotenciometría. [1] G. Cai, X. Wang, M. Cui, P. Darmawan, J. Wang, A.L.-S. Eh, P.S. Lee, Electrochromo-supercapacitor based on direct growth of NiO nanoparticles, Nano Energy 12 (2015) 258-267. [2] K. G K, N. Munichandraiah, P. Kamath, Effect of non-stoichiometry on the charge storage capacity of NiO conversion anodes in Li-ion batteries, Journal of Solid State Electrochemistry (2018).