Hybrid systems based on metal oxide and nanocarbons: electronic properties and applications for photocatalysis

Una mas eficiente conversion de la energia solar es altamente demandada para la sostenibilidad de las fuentes energeticas mundiales. Actualmente, existe un incremento continuo en el interes de nuevos materiales hibridos inorganicos/nanocarbonos para aplicaciones fotocataliticas. Uno de los objetivos de esta tesis es el desarrollo de nuevas morfologias hibridas con estructuras mesoporosas mediante la combinacion del metodo sol-gel y la tecnica de electrohilado, la cual forma fibras hibridas unidimensionales con propiedades coloidales en suspension. Ademas, el crecimiento in-situ de oxidos metalicos sobre la superficie de nanocarbonos funcionalizados (nanotubos de carbono o grafeno) ha permitido formar grandes intercaras, las cuales facilitan procesos de transporte y transferencia de carga. Por tanto, el proceso de hibridacion constituye un paso fundamental para crear un nuevo material, diferente de sus componentes individuales. En esta tesis, el estudio de efectos sinergicos en la intercara entre el material inorganico y los nanocarbonos ha sido ampliamente explotado, resaltando un fuerte acoplamiento entre ambos componentes como evidencia de la hibridacion. La estrategia de la funcionalizacion quimica de los nanocarbonos ha permitido la formacion de enlaces Ti-O-C, los cuales llevan a la aparicion de estados electronicos originados en las regiones de la intercara. La presencia de nuevos estados energeticos favorecen los procesos de transferencia de carga a traves de la intercara oxido metalico/nanocarbon y asi, retrasa la recombinacion de los portadores de carga. Ademas, estudios electroquimicos han sido usados para estudiar los procesos de transferencia de carga a traves de la intercara solido/liquido. Esta intercara llega a ser muy importante en los procesos fotocataliticos. Efectivamente, la eficiencia fotocatalitica ha incrementado hasta 14 veces mas en la produccion de hidrogeno que las puras nanoparticulas inorganicas. Finalmente, fotoelectrodos basados en el control del crecimiento de oxidos metalicos en la superficie de fibra de nanotubos de carbono, por ejemplo mediante deposicion atomica por capas, han sido usados para demostrar los efectos de la intercara en las propiedades fotoelectroquimicas. Los resultados de esta tesis pueden ser aplicados a la formacion de otros hibridos con diseno controlado de sus arquitecturas e intercaras, las cuales beneficiaran sus eficiencias fotocataliticas. A more efficient solar-to-energy conversion is highly demanded for the sustainability of the world energy sources. Nowadays, there is a continuously increasing interest in new inorganic/nanocarbon hybrid materials for photocatalytic applications. One of the objective of this thesis is the development of novel hybrid morphologies with mesoporous structure by combination of sol-gel and electrospinning technique, which forms one-dimensional hybrid fibres with colloidal properties in suspension. Furthermore, the in-situ growth of metal oxides on functionalised nanocarbon (CNTs or graphene) surface enables to form large interfaces, which facilitate charge transport and transfer processes. Therefore, the hybridisation process constitutes a fundamental step to create a new material, different from their individual components. In this thesis, the study of the synergetic effects at the interface between the inorganic and the nanocarbons has been widely exploited, highlighting a strong coupling between both components as evidences of the hybridisation. The strategy of chemical functionalisation of the nanocarbons has enabled the formation of Ti-O-C bonds, which leads to electronic states emerging from the large interfacial regions. The presence of new interfacial energy states favours the charge separation across the metal oxide/nanocarbon interface and thus, delays the photocarrier recombination. Moreover, electrochemistry studies have been used to study the charge transfer processes across the solid/liquid interface. This interface become more important un-der the photocatalytic process. Effectively, the photocatalytic efficiency has increased up to 14 times more in the hydrogen production than bare inorganic nanoparticles. Finally, photoelectrodes based on the control of the metal oxide growth on CNT fibre, i.e. atomic lay deposition, have been used to demonstrate the effects of the interface in the photoelectrochemical performance. The results of this thesis can be applied to the formation of other inorganic/nanocarbon hybrids with controlled design of their architectures and interfaces, which will benefit their photocatalytic efficiencies.