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XXX CONGRESO DE LA SOCIEDAD MEXICANA DE ELECTROQUÍMICA 8TH MEETING OF THE MEXICAN SECTION ECS 1 7 DE JUNIO – 12 DE JUNIO, 2015 BOCA DEL RÍO, VERACRUZ COMPORTAMIENTO ELECTROQUÍMICO DE PELÍCULAS DELGADAS DE SIC-TIO 2 DEPOSITADAS POR MAGNETRÓN RF DE SPUTTERING EN SUSTRATO VÍTREO PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO VÍA FOTOELECTROQUÍMICA. I.E. Castañeda-Reyna 1 , Responsable: I. Juárez-Ramírez 1 , L.M. Torres-Martínez 1 , C. Gómez- Solís 1 , J.C. Ballesteros 1 . 1 Departamento de Ecomateriales y Energía, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Autónoma de Nuevo León, Cd. Universitaria, 66455 San Nicolás de los Garza, N.L., México. * E-mail: [email protected] RESUMEN En este trabajo se reportan los resultados del estudio electroquímico realizado a los materiales SiC-TiO 2 en forma de película que fueron preparados por la tecnica de Sputtering, utilizando un magnetrón RF a 300 W bajo un flujo de gas Argón y como sustrato un vidrio conductor (ITO). Las pruebas de impedancia electroquímica permitieron determinar que los potenciales de banda plana para el SiC y el TiO 2 fueron -1.0 y -0.5 V, respectivamente, en relación al ENH. Los resultados de la cronoamperometría en las películas, indicaron que estas son capaces de generar corriente al ser irradiadas por luz solar simulada. Estos resultados concuerdan con la determinación de la energía de banda prohibida por la técnica de UV-Vis, donde se observó que las películas SiC-TiO 2 presentan valores de Eg cercanos a 3.2 eV. Por otro lado la caracterización de las películas por difracción de rayos x (DRX), indicó que estas son amorfas. El espesor obtenido para cada una de las películas fue de 0.9 µm y 0.6 µm para las películas de SiC y TiO 2 , repectivamente. Finalmente, la actividad de estas películas SiC-TiO 2 para la producción de hidrógeno fue determinada mediante la técnica de cromatografía de gases, encontrando que estos materiales producen 830 µmol H 2 g -1 h .-1 bajo procesos fotoinducidos. Palabras Clave: Sputtering, rf, SiC-TiO 2 , hidrógeno.
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XXX CONGRESO DE LA SOCIEDAD MEXICANA DE ELECTROQUÍMICA
8TH MEETING OF THE MEXICAN SECTION ECS
1 7 DE JUNIO – 12 DE JUNIO, 2015 BOCA DEL RÍO, VERACRUZ
COMPORTAMIENTO ELECTROQUÍMICO DE PELÍCULAS DELGADAS DE SIC-TIO2 DEPOSITADAS POR MAGNETRÓN RF DE SPUTTERING
EN SUSTRATO VÍTREO PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO VÍA FOTOELECTROQUÍMICA.
I.E. Castañeda-Reyna1, Responsable: I. Juárez-Ramírez 1, L.M. Torres-Martínez1, C. Gómez-
Solís1, J.C. Ballesteros1. 1Departamento de Ecomateriales y Energía, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Autónoma
de Nuevo León, Cd. Universitaria, 66455 San Nicolás de los Garza, N.L., México. *E-mail: [email protected]
RESUMEN
En este trabajo se reportan los resultados del estudio electroquímico realizado a los
materiales SiC-TiO2 en forma de película que fueron preparados por la tecnica de Sputtering,
utilizando un magnetrón RF a 300 W bajo un flujo de gas Argón y como sustrato un vidrio
conductor (ITO). Las pruebas de impedancia electroquímica permitieron determinar que los
potenciales de banda plana para el SiC y el TiO2 fueron -1.0 y -0.5 V, respectivamente, en
relación al ENH. Los resultados de la cronoamperometría en las películas, indicaron que estas
son capaces de generar corriente al ser irradiadas por luz solar simulada. Estos resultados
concuerdan con la determinación de la energía de banda prohibida por la técnica de UV-Vis,
donde se observó que las películas SiC-TiO2 presentan valores de Eg cercanos a 3.2 eV. Por otro
lado la caracterización de las películas por difracción de rayos x (DRX), indicó que estas son
amorfas. El espesor obtenido para cada una de las películas fue de 0.9 µm y 0.6 µm para las
películas de SiC y TiO2, repectivamente. Finalmente, la actividad de estas películas SiC-TiO2
para la producción de hidrógeno fue determinada mediante la técnica de cromatografía de gases,
encontrando que estos materiales producen 830 µmol H2 g-1 h.-1 bajo procesos fotoinducidos. Palabras Clave: Sputtering, rf, SiC-TiO2, hidrógeno.
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1. INTRODUCCIÓN
Actualmente, se considera al hidrógeno como un recurso energético abundante en el
planeta. Se han comprendido grandes esfuerzos para la obtención de la molécula de hidrógeno
por metodos que sean de un bajo costo y alta eficiencia, de entre los cuales destacan las técnicas
fotoelectroquímicas, fotocatalíticas y fotoelectrocatalíticas. Para esto se seleccionan diferentes
tipos de materiales considerados en su mayoría como semiconductores por sus propiedades
eléctricas para ser utilizados como fotocátodos [1].
De manera particular, el composito SiC-TiO2 como fotocatalizador ha sido empleado
recientemente para la producción de Hidrógeno a través de procesos fotocatalíticos y
fotoelectroquímicos, sin embargo, son pocos los estudios sobre la utilizacion de estos compuestos
y todos ellos son empleando el material en forma de polvo [2-4]. Se ha encontrado que se genera
una sinergia entre ambos semiconductores que favorece una mejora en la actividad a que sí se
emplearan los materiales de manera individial.
Por lo anterior, en este trabajo se llevó a cabo a cabo la preparación de películas SiC-TiO2
mediante la técnica de Sputtering y utilizando vidrio ITO como soporte o sustrato. Estos
materiales fueron evaluados como fotoelectrodos en un sistema electroquímico con la finalidad
de determinar su capacidad para producir hidrógeno bajo luz solar simulada y demostrar que se
puede mantener la sinergia entre ambos semiconductores en forma de película.
2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
Las películas de SiC-TiO2 fueron depositadas sobre un vidrio conductor (ITO), utilizando
un Magnetrón RF mediante la técnica de Sputtering.
Los depósitos de ambos materiales (SiC y TiO2) fueron efectuados a una potencia de 300
W, y a temperatura ambiente con un flujo de gas Argón [5]. Los sustratos vitreos con los
depósitos de material en forma de película fueron caracterizados por: Difracción de rayos X
(DRX), microscopía electrónica de barrido (MEB) de emisión de campo, espectrofometría UV-
Vis y técnicas electroquímicas.
Los análisis espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) se realizaron para cada una
de las películas por separado en una celda de cuarzo de tres electrodos, con un electrolito de
Na2SO4 a 0.5 M,, con variaciones de frecuenciuas de 1 Hz hasta 100 KHz, donde se utilizaron
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los depósitos de material sobre el sustrato como electrodo de trabajo (ET), plata/cloruro de plata
(Ag/AgCl) como electrodo de referencia (ER) y platino (Pt) como contraelectrodo (CE),
respectivamente, en un potenciostato-galvanostato AUTOLAB PGSTAT302.
La prueba electroquímica de cronoamperometría fue realizada utilizando un “bias
potential” durante 1 hora, en la cual se aplicaron ciclos de incidencia de luz cada 5 minutos; la
fuente de luz utilizada fue simulador solar (450 W). Por otro lado, la producción de hidrógeno
fue cuantificada empleando la técnica de cromatografia de gases y utilizando un sistema
fotocatalítico.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la figura 1, se muestran los diagramas de Nyquist de las películas de SiC (a) y TiO2 (b),
a partir de estos, se obtiene el punto de transferencia de carga el cual es graficado contra el
potencial utilizado en el estudio para obtener el diagrama de Mott-Schottky presentado en la
figura 2. Se corroboró de acuerdo a los resultados obtenidos, que el SiC es un tipo de
semiconductor tipo p y el TiO2 es un semiconductor tipo n [6]. En la tabla 1, se muestran las
conversiones de los potenciales de banda plana (PBP) o banda de conducción del Ag/AgCl a
ENH en pH 7, junto a la resistividad de cada material.
Tabla 1. Propiedades eléctricas de los materiales depositados por Sputtering
Material Eg(eV) PBP ENH (V) Resistividad (MΩ cm2)
SiC 3.1 -1.0 3.8
TiO2 3.2 -0.5 4.8
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0 1000 2000 3000 4000
0
200
400
600
800
1000
-‐Z"(Ω)
Z ´(Ω)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
-‐Z" (Ω)
Z ´(Ω)
Figura 1. Diagramas de Nyquist. (a) SiC y (b) TiO2
a)
b)
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-‐1.50 -‐1.45 -‐1.40 -‐1.35 -‐1.30 -‐1.250
2x1010
4x1010
6x1010
8x1010
1x1011
1x1011
1x1011
1/ C
2
E (V )
-‐0.8 -‐0.7 -‐0.6 -‐0.5 -‐0.4 -‐0.3 -‐0.20
1x1021
2x1021
3x1021
4x1021
5x1021
6x1021
7x1021
8x1021
E (V )
1/C
2
Figura 2. Diagramas de Mott-Schottky. (a) SiC y (b) TiO2
b)
a)
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En la figura 3, se evidencia la respuesta de fotocorriente de los materiales expuestos a una
emision de luz solar simulada incidente, (a) SiC, (b) TiO2 y (c) SiC-TiO2. Se puede apreciar que
las curvas de fotocorriente del SiC son inestables y , mientras que el TiO2 presenta una
fotocorriente generada parecida pero a una cantidad menor en comparación al SiC-TiO2. De igual
manera, se observa que el composito SiC-TiO2 presentó una alta estabilidad química dado que la
actividad del material se mantiene constante de acuerdo a cada ciclo de incidencia de luz al que
fue expuesta la película. La manifestación de esta corriente establece que el material puede ser
útil como fotoelectrodo en la producción de hidrógeno vía electroquímica [3]. La producción de
hidrógeno fue corroborada mediante pruebas preliminares de fotocatálisis encontrando que estas
películas tienen una tasa de producción de hidrógeno en 830 µμmol H2 g-1 h-1 bajo luz UV.
Figura 3. Cronoamperometria bajo simulador solar de películas (a) SiC, (b) TiO2 y (c) SiC-TiO2.
Por otro lado, en la figura 4, se muestra el resultado de la difraccion de rayos X de la
película SiC-TiO2 obtenida por la tecnica de Sputtering. De acuerdo al difractograma obtenido, se
observa únicamente el patrón amorfo del vidrio, mientras que la presencia de los materiales
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depositados no se detecta tal vez debido a que por la técnica utilizada se obtiene un material
amorfo [5].
10 20 30 40 50 60 70
Intens
idad
(u.a.)
2θ
Figura 4. Difractograma de película SiC-TiO2 depositada mediante Sputtering.
La energía de banda prohibida o band gap fue determinado para los materiales depositados
mediante la conversión de los análisis de absorbancia a un modelo matemático (Kubelka-Munk),
el cual puede generar una directriz de la pendiente obteniendo un valor teórico. En la figura 5, se
muestran los resultados de las películas obtenidas donde se observa que el valor del ancho banda
prohibida es de 3.2 eV para el SiC-TiO2, lo que representa que estos materiales son suceptibles a
absorber energía en la región de luz UV [2].
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2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
F(R
)
B and G ap (eV )
Figura 5. Diagrama de Kubelka-Munk para la obtencion del ancho de banda prohibida para SiC-TiO2
El espesor de las películas depositadas fue medido a partir de la micrografía del composito
SiC-TiO2, mostrada en la figura 6. Se determinó un espesor de 0.9 µμm para el SiC y de 0.6 µm
para el TiO2, obteniendo un espesor total de 1.5 µm de la película SiC-TiO2.
Figura 6. Micrografía de espesor de depósito de películas SiC-TiO2
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4. CONCLUSIONES
En este trabajo se logró obtener películas de SiC-TiO2 por la tecnica de Sputtering sobre un
sustrato de vidrio conductor (ITO). Se encontró que estas películas son capaces de producir
hidrógeno bajo procesos fotoinducidos debido a que sus potenciales de banda plana son más
negativos que el potencial de reducción del agua. Los resultados demostraron que se mantiene
una sinergia entre el SiC y TiO2 provocando una buena estabilidad química y manteniendo una
fotocorriente mayor a los compuestos de manera individual. Mediante la técnica de cromatografía
de gases fue posible evaluar la producción de hidrógeno utilizando estas películas como material
activo en sistemas fotocatalíticos, corroborando los resultados de los experimentos
electroquímicos.
5. AGRADECIMIENTOS
Los autores externan su gratitud al CONACYT por el apoyo financiero otorgado a traves
del proyecto FOINS 75/2012, CB-168730, Ivan Eduardo Castañeda Reyna agradece al
CONACYT por la beca otorada con numero de apoyo 361685.
6. REFERENCIAS
[1] T. Bak, J. Nowotny, M. Rekas, and C. C. Sorrell, “Photo-electrochemical hydrogen generation from water using solar energy . Materials-related aspects,” Journal of Power Sources, pp. 991–1022, vol. 27, no. 2002, (2010).
[2] C. Gómez-Solís, I. Juárez-Ramírez, E. Moctezuma, and L. M. Torres-Martínez, “Photodegradation of indigo carmine and methylene blue dyes in aqueous solution by SiC-TiO2 catalysts prepared by sol-gel.,” J. Hazard. Mater., pp. 194–199, vol. 217–218, May (2012).
[3] J. C. B. Juárez-Ramírez I. , L. M. Torres-Martínez, C. Gómez-Solís, “Photoelectrical hydrogen production using SiC-TIO2-Sm as electrode,” J. Electrochem. Soc., pp. 287–293, vol. 162, (2015).
[4] Y. Li, Z. Yu, J. Meng, and Y. Li, “Enhancing the activity of a SiC–TiO2 composite catalyst for photo-stimulated catalytic water splitting,” Int. J. Hydrogen Energy, pp. 3898–3904, vol. 38, no. 10, Apr. (2013).
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[5] Z. Ji-cheng and Z. X. B, “Structure and electronic properties of SiC thin-films deposited by RF magnetron sputtering,” Trans. Nonferrous Met. Soc. China, pp. 373–377, vol. 17, (2007).
[6] I. Acevedo-Peña, P. González and G. Vázquez, “Generación de estados superficiales durante la formación electroforética catódica de películas de TiO2 sobre ITO,” Quim. Nov., pp. 390–396, vol. 34, no. 3, (2011).
