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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
Luis Osvaldo Justiano García Molina
Acceso Abierto
Atribución-NoComercial-SinDerivadas
Maestría en Tecnología de Polímeros
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.
2020
Trabajo de grado, maestría
QUÍMICA
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