Microstructural evolution of Au/TiO2 nanocomposite films: The influence of Au concentration and thermal annealing

Nanocomposite thin films consisting of a dielectric matrix, such as titanium oxide (TiO2), with embedded gold (Au) nanoparticles were prepared and will be analysed and discussed in detail in the present work. The evolution of morphological and structural features was studied for a wide range of Au concentrations and for annealing treatments in air, for temperatures ranging from 200 to 800 °C. Major findings revealed that for low Au atomic concentrations (at.%), there are only traces of clustering, and just for relatively high annealing temperatures, T ≥ 500 °C. Furthermore, the number of Au nanoparticles is extremely low, even for the highest annealing temperature, T = 800 °C. It is noteworthy that the TiO2 matrix also crystallizes in the anatase phase for annealing temperatures above 300 °C. For intermediate Au contents (5 at.% ≤ CAu ≤ 15 at.%), the formation of gold nanoclusters was much more evident, beginning at lower annealing temperatures (T ≥ 200 °C) with sizes ranging from 2 to 25 nm as the temperature increased. A change in the matrix crystallization from anatase to rutile was also observed in this intermediate range of compositions. For the highest Au concentrations (> 20 at.%), the films tended to form relatively larger clusters, with sizes above 20 nm (for T ≥ 400 °C). It is demonstrated that the structural and morphological characteristics of the films are strongly affected by the annealing temperature, as well as by the particular amounts, size and distribution of the Au nanoparticles dispersed in the TiO2 matrix.

A systematic study of the structural and magnetic properties of Mn-, Co-, and Ni-Doped Colloidal Fe3O4 nanoparticles

A series of colloidal MxFe3-xO4 (M = Mn, Co, Ni; x = 0–1) nanoparticles with diameters ranging from 6.8 to 11.6 nm was synthesized by hydrothermal reaction in aqueous medium at low temperature (200 °C). Energy-dispersive X-ray microa-nalysis and inductively coupled plasma spectrometry confirms that the actual elemental compositions agree well with the nominal ones. The structural properties of obtained nanoparticles were investigated by using powder X-ray diffraction, Raman scattering, Mössbauer spectroscopy, and electron microscopy. The results demonstrate that our synthesis technique leads to the formation of chemically uniform single-phase solid solution nanoparticles with cubic spinel structure, confirming the intrinsic doping. Magnetic studies showed that, in comparison to Fe3O4, the saturation magnetization of MxFe3-xO4 (M = Mn, Ni) decreases with increasing dopant concentration, while Co-doped samples showed similar saturation magnetizations. On other hand, whereas Mn- and Ni-doped nanoparticles exhibits superparamagnetic behavior at room temperature, ferromagnetism emerges for CoxFe3-xO4 nanoparticles, which can be tuned by the level of Co doping.

An experimental investigation on nano-TiO2 and fly ash based high performance concrete

High performance concrete (HPC) offers several advantages over normal-strength concrete, namely, high mechanical strength and high durability. Therefore, HPC allows for concrete structures with less steel reinforcement and a longer service life, both of which are crucial issues in the eco-efficiency of construction materials. Nevertheless international publications on the field of concrete containing nanoparticles are scarce when compared to Portland cement concrete (around 1%) of the total international publications. HPC nanoparticle-based publications are even scarcer. This article presents the results of an experimental investigation on the mechanical properties and durability of HPC based on nano-TiO2 and fly ash. The durability performance was assessed by means of water absorption by immersion, water absorption by capillarity, ultrasonic pulse velocity, electric resistivity, chloride diffusion and resistance to sulphuric acid attack. The results show that the concretes containing an increased content of nano-TiO2 show decreased durability performance. The results also show that concrete with 1% nano-TiO2 and 30% fly ash as Portland cement replacement show a high mechanical strength (C55/C67) and a high durability. However, it should be noted that the cost of nano-TiO2 is responsible for a severe increase in the cost of concrete mixtures.

Síntesi de nanopartícules de TiO2 fàcilment processables i el seu ús per a fabricar a baixa temperatura cel·les solars sensibilitzades

La gran demanda energètica i la problemàtica dels combustibles fòssils i d‟altres recursos per a obtenir energia posen de manifest la necessitat de desenvolupar tecnologies netes, sostenibles i econòmicament viables de generació d‟energia. En aquest àmbit, les cel·les solars sensibilitzades amb colorant (Dye Sensitized Solar Cells, DSSC), que transformen l‟energia solar a energia elèctrica, són una solució factible. A més, el desenvolupament de mètodes per a construir aquestes cel·les a baixa temperatura permetria fabricar-les sobre substrats plàstics, fet que els donaria un valor afegit i permetria una producció en continu, ràpida i amb baix cost tant, econòmic, com d‟impacte ambiental. Aquest treball presenta el desenvolupament d‟un mètode de producció a baixa temperatura (140 ºC) de DSSC, amb eficiència de 5,9 % sobre substrats FTO/vidre. Aquest valor és superior a la majoria de les eficiències reportades a la bibliografia de DSSC construïdes a baixa temperatura. Les capes mesoporoses que formen els elèctrodes de les DCCS es dipositen per doctor blade a partir d‟una pasta composta per nanopartícules de TiO2, de 4-8 nm, recobertes d‟àcid 3,6,9-trioxadecanoic, per nanopartícules de Degussa P25, de 20-25 nm, i com a dissolvents només s‟utilitza aigua i etanol. L‟aplicació d‟un tractament a 140 ºC permet eliminar la matèria orgànica de la superfície de les nanopartícules de 4-8 nm i unir-les a les de Degussa P25. Aquest fet permet obtenir capes mesoporoses sinteritzades de 6 μm de gruix. A més, l‟aplicació d‟un post-tractament, en el qual s‟utilitza l‟àcid hexafluoro titànic (IV), produeix un lleuger increment en l‟eficiència. Endemés, l‟obtenció de capes primes de TiO2 sobre substrats plàstics és un tema d‟actualitat a causa de la falta de mètodes de deposició a baixa temperatura. En aquest context, s‟ha sintetitzat, mitjançant processos respectuosos amb el medi ambient nanopartícules de TiO2 cristal·lí modificades superficialment amb lauril gal·lat i àcid 3,6,9-trioxodecanoic. Les nanopartícules poden ser dispersades en dissolvents orgànics i aigua respectivament, fet que permet obtenir suspensions estables i de fàcil manipulació. Aquestes poden ser utilitzades com a precursores per a obtenir capes primes a baixa temperatura de TiO2 cristal·lí. En concret, les capes primes formades per nanopartícules de TiO2 modificades amb àcid 3,6,9-trioxodecanoic s‟han utilitzat com a blocking layer en les DSSC construïdes a baixa temperatura.

Uso de TiO2 dopado con nitrógeno para la generación de hidrógeno bajo irradiación con luz visible

Se desarrollaron catalizadores de TiO2 dopados con nitrógeno para conseguir actividad fotocatalítica bajo irradiación visible. En este trabajo se reporta la síntesis de TiO2-N, usando urea y nitrato de amonio (NH4NO3) como precursores de nitrógeno, tanto a partir de un TiO2 generado in situ (método sol-gel) como mediante la modificación de un TiO2 comercial. Así mismo, se varió la concentración de urea para encontrar el valor óptimo de nitrógeno, lo cual se comprobó mediante la oxidación fotocatalítica de ácido oxálico bajo irradiación con luz visible. Los materiales sintetizados se caracterizaron por medio de análisis elemental, y por reflectancia difusa UV-visible, encontrándose nitrógeno en todas las muestras, y un valor del ancho de banda prohibida en el rango 2-2,8 eV. Lamentablemente, se detectó una pérdida de nitrógeno cuando los fotocatalizadores eran reutilizados, lo cual causó una disminución de su actividad después de cada reacción, ya sea en presencia de oxígeno, o en ausencia de éste mientras se generaba hidrógeno. Entre los dopantes investigados el NH4NO3 mostro una mejor eficiencia en la producción de hidrógeno. Además, los resultados experimentales revelaron claramente que la deposición de platino en la superficie de los catalizadores TiO2-N desempeña un papel fundamental en el aumento de la generación de hidrógeno. Sin embargo, esta mejora dependía claramente del método de preparación de las muestras, obteniéndose mejores resultados con el TiO2-p25.

Síntesis, caracterización y ensayos cinéticos del nanocomposite RuO2/TiO2/MWCNT/Pt en la producción fotocatalítica de combustibles solares bajo iluminación UV y VIS

Se prepararon partículas de nanocomposites basados en TiO2 y nanotubos de carbono multicapa platinizados para la obtención de combustibles solares. Se evaluó la actividad fotocatalítica del material en la producción de hidrógeno, en procesos de degradación de ácido fórmico, y en la obtención de hidrocarburos a partir de la reducción de CO2 en agua. Los nanocomposites fueron sintetizados por medio de la técnica sol-gel. Se estudió el efecto de la proporción y el diámetro de los nanotubos de carbono en la actividad del material bajo iluminación ultravioleta y visible. Se estudió el efecto de la adición de RuO2 (0,5% wt.) en la actividad bajo iluminación visible. Los materiales fueron caracterizados por ATR, XRD, BET, HRTEM y SEM. Se obtuvieron sólidos macroporosos, con contenido de fase anatasa superior al 99% y tamaño cristalino comprendido entre 15 y 21 nm. Los resultados cinéticos mostraron una producción óptima de hidrógeno para el composite TiO2/(5wt.%)MWCNT/Pt(60-80 nm), con eficiencia cuántica y eficiencia energética de 1,27% y 0,27%, respectivamente. En el caso de radiación visible, la producción de hidrógeno fue nula para los composites TiO2/MWCNT/Pt, mientras que para el sistema RuO2/TiO2/MWCNT/Pt se observó que la adicción de MWCNT inhibía la actividad fotocatalítica del composite RuO2/TiO2 en la región del visible. Por otra parte, en los ensayos de reducción de CO2 no se detectó ningún producto de reacción.

Properties of nitrogen doped silicon films deposited by low-pressure chemical vapor deposition from silane and ammonia

Nitrogen doped silicon (NIDOS) films have been deposited by low-pressure chemical vapor deposition from silane SiH4 and ammonia NH3 at high temperature (750°C) and the influences of the NH3/SiH4 gas ratio on the films deposition rate, refractive index, stoichiometry, microstructure, electrical conductivity, and thermomechanical stress are studied. The chemical species derived from silylene SiH2 into the gaseous phase are shown to be responsible for the deposition of NIDOS and/or (silicon rich) silicon nitride. The competition between these two deposition phenomena leads finally to very high deposition rates (100 nm/min) for low NH3/SiH4 gas ratio (R¿0.1). Moreover, complex variations of NIDOS film properties are evidenced and related to the dual behavior of the nitrogen atom into silicon, either n-type substitutional impurity or insulative intersticial impurity, according to the Si¿N atomic bound. Finally, the use of NIDOS deposition for the realization of microelectromechanical systems is investigated.

Bipolar pulsed excitation of erbium-doped nanosilicon light emitting diodes

High quantum efficiency erbium doped silicon nanocluster (Si-NC:Er) light emitting diodes (LEDs) were grown by low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) in a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) line. Erbium (Er) excitation mechanisms under direct current (DC) and bipolar pulsed electrical injection were studied in a broad range of excitation voltages and frequencies. Under DC excitation, Fowler-Nordheim tunneling of electrons is mediated by Er-related trap states and electroluminescence originates from impact excitation of Er ions. When the bipolar pulsed electrical injection is used, the electron transport and Er excitation mechanism change. Sequential injection of electrons and holes into silicon nanoclusters takes place and nonradiative energy transfer to Er ions is observed. This mechanism occurs in a range of lower driving voltages than those observed in DC and injection frequencies higher than the Er emission rate.

Enhancement of the photoelectrochemical properties of Cl-doped ZnO nanowires by tuning their coaxial doping profile

Arrays of vertically aligned ZnO:Cl/ZnO core-shell nanowires were used to demonstrate that the control of the coaxial doping profile in homojunction nanostructures can improve their surface charge carrier transfer while conserving potentially excellent transport properties. It is experimentally shown that the presence of a ZnO shell enhances the photoelectrochemical properties of ZnO:Cl nanowires up to a factor 5. Likewise, the ZnO shell promotes the visible photoluminescence band in highly conducting ZnO:Cl nanowires. These lines of evidence are associated with the increase of the nanowires" surface depletion layer