Título

Uso de diferentes aditivos en la síntesis hidrotermal de ZnO para su uso potencial en celdas solares híbridas con polímeros conjugados del tipo push-pull a base de benzoditiofeno y triazol

Autor

Luis Osvaldo Justiano García Molina

Nivel de Acceso

Acceso Abierto

Resumen o descripción

En este trabajo se reporta la síntesis de partículas de óxido de zinc de tamaño

nano y submicrométrico, que se obtuvieron implementando una metodología novedosa

que involucra el uso de aditivos sol–gel en una ruta modificada del método hidrotermal.

La naturaleza del aditivo elegido, glucosa, sacarosa, agarosa y celulosa; la relación

molar zinc:aditivo; el uso de NaOH y la temperatura del tratamiento térmico fueron las

variables experimentales elegidas para estudiar su efecto en las propiedades

fisicoquímicas del ZnO. La caracterización, mediante TGA, FTIR y XRD, de los

precursores y, mediante XRD y TEM, de los productos, generó información sobre la

relación entre las variables experimentales estudiadas y la estructura y microestructura

del ZnO obtenido.

La reacción del nitrato de zinc, en presencia de diferentes aditivos (con 1, 2, 4 o

más unidades de monosacáridos), bajo las condiciones de síntesis hidrotermal (medio

acuoso, temperatura y presión elevadas), conducen a la formación de una mezcla de

óxido de zinc y derivados de los aditivos (con colores y olores que recuerdan un poco a

los del caramelo).

El tratamiento térmico del producto de la síntesis hidrotermal induce la

descomposición de los derivados del aditivo (más fácilmente en los aditivos de cadena

más pequeña) y, el incremento en la temperatura de los tratamientos, induce a la

obtención de la estructura tipo wurtzita, de simetría hexagonal, del ZnO con una mejor

cristalinidad.

El incremento en la cantidad de aditivo en la relación molar zinc:aditivo, de 8:1,

4:1, 2:1 a 1:1, en los sistemas con sacarosa y agarosa, mejora la cristalinidad del ZnO

obtenido a una misma temperatura, especialmente a partir de 600 °C; el tamaño de

cristalita aumenta gradualmente entre las muestras con relación 8:1 y 2:1 y,

abruptamente, en muestras con relación 1:1.

La adición de hidróxido de sodio durante la síntesis del óxido de zinc, usando

sacarosa como aditivo, permite obtener ZnO con un tamaño de cristalita

considerablemente más pequeño que el del ZnO sintetizado sin NaOH.

El uso de diferentes aditivos, diferentes relaciones molares zinc:aditivo y el uso

de NaOH permiten modular el tamaño de cristalita del ZnO entre 12 y 48 nm.

El análisis del ZnO obtenido utilizando relaciones molares 1:1 y 2:1, de

zinc:sacarosa y zinc:agarosa, tratado a 600 y 1000 °C, mediante TEM, muestra que i)

las partículas presentan una morfología pseudoesférica (en su mayoría con diversas

formas poliédricas y algunas unidades cilíndricas aisladas), ii) que en las muestras

sintetizadas utilizando agarosa se detecta un material amorfo (presuntamente

derivados entrecruzados de aditivos formados durante la reacción hidrotermal) que

recubre a algunas partículas, iii) el incremento en la cantidad de aditivo y el aumento de

la temperatura inducen la formación de partículas más grandes. La variación, en los

parámetros experimentales, permite modular: el tamaño de partícula (entre 15 y 540

nm), la cantidad de aglomerados formados y el contenido de residuo orgánico.

Debido a que las partículas con relación 1:1 y 1000 °C (OS1000 1:1 y OA1000

1:1) de calcinación fueron las más estables en THF, únicamente de estas últimas se

evaluaron las propiedades ópticas. Se obtuvo en ambos casos, un pico de absorción

alrededor de 370 nm, debido a la transición electrónica de la banda de valencia a la

banda de conducción. Aunado a ese pico, se observó una línea de base pronunciada

en el caso de la muestra OA1000 1.1, que se atribuye al menor tiempo de estabilidad

de la dispersión. Se seleccionó por lo tanto la muestra OS1000 1:1 para realizar la

caracterización de fluorescencia, en donde se observó emisión en el azul que puede

ser indicativo de grupos OH en la superficie más que de vacancias de oxígeno (Vo) ya

que en los espectros Raman no se observó la banda correspondiente a Vo. Estos

grupos podrían también explicar la buena dispersabilidad en THF.

Con el fin de fabricar una celda híbrida, también se sintetizó mediante la

reacción de Stille el copolímero BDT–co–triazol, el cual contiene una unidad de triazol

(unidad electrón aceptora) sustituido con cadenas alifáticas y una unidad de

benzoditiofeno BDT (unidad electrón donadora) lo cual lleva a una estructura de tipo

donador–aceptor (o push–pull) de baja brecha energética Eg= 2.15 eV, de acuerdo a

estudios de espectroscopia UV–Vis. Se probaron diferentes condiciones de preparación

de películas del compósito polímero: ZnO logrando espesores en acorde con la

preparación de celdas, pero cuya homogeneidad (a simple ojo pobre, por la baja

estabilidad de la dispersión) debe optimizarse para poderse considerar la fabricación de

los dispositivos.

Fecha de publicación

2020

Tipo de publicación

Otro

Trabajo de grado, maestría

Formato

application/pdf

Repositorio Orígen

Repositorio Institucional del Centro de Investigación en Química Aplicada

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