Explorando una nueva forma de polimorfo Sn3O4: síntesis y análisis

El ajuste de las condiciones de reacción, como el grado de llenado y la composición del gas, puede tener un gran impacto en los productos obtenidos por síntesis hidrotermal. Esto quedó claramente representado en el nuevo estudio de Tokyo Tech, donde sintetizaron un polimorfo ortorrómbico no informado de Sn3O4 en lugar de la fase monoclínica convencional mediante la optimización de las condiciones dentro del reactor hidrotermal. El ortorrómbico Sn3O4 tiene una banda prohibida más estrecha que el convencional, lo que lo hace útil como fotocatalizador activo en luz visible.

Los óxidos de estaño (SnxOy) se encuentran en muchas de las tecnologías modernas debido a su naturaleza versátil. Los estados de oxidación multivalentes del estaño (Sn2+ y Sn4+) confieren a los óxidos de estaño electroconductividad, fotocatálisis y diversas propiedades funcionales. Para la aplicación de fotocatálisis de óxidos de estaño, una banda prohibida estrecha para la absorción de luz visible es indispensable para utilizar una amplia gama de energía solar. Por lo tanto, el descubrimiento del nuevo SnxOy podría ayudar a mejorar la eficiencia de muchas reacciones fotocatalíticas importantes para el medio ambiente, como la división del agua y la reducción de CO2. Si bien hay muchas predicciones teóricas y computacionales de nuevos SnxOy estables, aún existe la necesidad de estudios experimentales que puedan convertir las predicciones en realidad.

Tomando esto como un llamado a la acción, los investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio, la Academia Nacional de Defensa y Mitsubishi Materials Corporation han diseñado un nuevo óxido de estaño. En su reciente avance publicado en Angewandte Chemie International Edition, el Sr. Y. Liu et al. presentó un nuevo enfoque optimizado de síntesis hidrotermal que condujo a la síntesis de un polimorfo Sn3O4 con una estructura cristalina ortorrómbica no reportada previamente. La investigación se realizó en el Clúster de Investigación Colaborativa de Innovación en Sustentabilidad de Mitsubishi Materials con el apoyo de la Plataforma de Innovación Abierta del Instituto Tecnológico de Tokio.

El líder del proyecto, el profesor Miyauchi, explica la fuerza impulsora detrás del estudio: "El objetivo de nuestro estudio era doble. El primero era la síntesis de un nuevo polimorfo de óxido de estaño y el segundo era aplicarlo para un fotocatalizador sensible a la luz visible. "

El equipo instaló varios reactores hidrotermales térmicos con el mismo material de partida para preparar Sn3O4. En la primera serie, un conjunto, alteraron el grado de llenado de la solución precursora al llenar el 20, 40, 60 y 80 % de un revestimiento de teflón de 100 ml. Para la segunda serie, mantuvieron el grado de llenado constante al 20% y los revestimientos de teflón se llenaron con aire ambiente, oxígeno puro y nitrógeno puro, respectivamente.

Luego, el equipo llevó a cabo análisis de Rietveld, espectroscopia de rayos X y cálculos de primeros principios en los productos formados. El análisis mostró que el nuevo polimorfo Sn3O4 tiene la fórmula química de Sn(II)2Sn(IV)O4. Su patrón de difracción de rayos X nunca se ha informado y se asigna a una fase cristalina ortorrómbica según análisis empíricos y computacionales. Los estudios comparativos para ajustar la composición del gas y el grado de llenado mostraron que el polimorfo ortorrómbico solo se formaba cuando el grado de llenado era alto o cuando el gas introducido era inerte y tenía menos oxígeno. Por lo tanto, el equipo sugirió que prestar atención a la fuente de oxígeno podría ser la clave para una síntesis hidrotermal más precisa.

El nuevo polimorfo ortorrómbico Sn3O4 informado en este estudio tiene una banda prohibida más pequeña que un Sn3O4 monoclínico convencional, lo que indica una mayor eficiencia de absorción de luz visible. Además, la banda de conducción del polimorfo ortorrómbico es suficientemente alta para impulsar la reacción de reducción de CO2.

El método hidrotermal es un método ampliamente utilizado para la síntesis de materiales. Este estudio encuentra que los parámetros a menudo descuidados en la síntesis hidrotermal afectan drásticamente la estructura cristalina. Este hallazgo es informativo para el descubrimiento de numerosos materiales de óxido nuevos.

Referencia

1 Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Escuela de Tecnología de Materiales y Química, Instituto de Tecnología de Tokio, Japón

2 Centro de Investigación Verde sobre Energía y Materiales Ambientales, Instituto Nacional de Ciencia de Materiales, Japón

3 Estación de rayos X de sincrotrón en SPring-8, Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales, Japón

4 Centro de Investigación para Medición y Caracterización Avanzadas, Instituto Nacional de Ciencia de Materiales, Japón

5 Centro de Investigación de Materiales Funcionales, Instituto Nacional de Ciencia de Materiales, Japón

6 Centro de Innovación, Mitsubishi Materials Corporation, Japón

7 Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Academia Nacional de Defensa, Japón