ES2525737B2 - Nanocrystalline titanium dioxide with anatase and rutile phase mixing in proportion and / or spatial distribution controlled by laser irradiation - Google Patents

Nanocrystalline titanium dioxide with anatase and rutile phase mixing in proportion and / or spatial distribution controlled by laser irradiation Download PDF

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ES2525737B2 ES201400759A ES201400759A ES2525737B2 ES 2525737 B2 ES2525737 B2 ES 2525737B2 ES 201400759 A ES201400759 A ES 201400759A ES 201400759 A ES201400759 A ES 201400759A ES 2525737 B2 ES2525737 B2 ES 2525737B2
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Abstract

Dióxido de titanio nanocristalino con mezcla de fases anatasa y rutilo en proporción y/o distribución espacial controlada mediante irradiación laser.#El dióxido de titanio es un material con un amplio campo de aplicaciones para cuya adecuación se requiere un determinado polimorfismo que hace necesario encontrar métodos de control de la transición de fase anatasa-rutilo que permitan regular la mezcla de ambas fases. Se propone la obtención de óxido de titanio nanocristalino con mezcla de fases anatasa y rutilo controlada cuantitativa y/o espacialmente con resolución micrométrica mediante estampado laser. Este control de fases permite diseñar dispositivos multifuncionales y polivalentes basados en óxido de titanio nanocristalino y las distintas propiedades de sus fases anatasa y rutilo.Nanocrystalline titanium dioxide with mixture of anatase and rutile phases in proportion and / or spatial distribution controlled by laser irradiation. # Titanium dioxide is a material with a wide range of applications for which a certain polymorphism is required that makes it necessary to find methods control of the anatase-rutile phase transition that allows to regulate the mixing of both phases. It is proposed to obtain nanocrystalline titanium oxide with a mixture of anatase and rutile phases quantitatively and / or spatially controlled with micrometric resolution by laser stamping. This phase control allows to design multifunctional and versatile devices based on nanocrystalline titanium oxide and the different properties of its anatase and rutile phases.

Description

Dióxido de titanio nanocristalino con mezcla de fases anatasa y rutilo en proporción y/o distribución espacial controlada mediante irradiación láser Nanocrystalline titanium dioxide with anatase and rutile phase mixing in proportion and / or spatial distribution controlled by laser irradiation

Sector de la Técnica La invención se encuadra en el sector de dispositivos semiconductores y recubrimientos funcionales. De forma más concreta, se refiere a la fabricación de dióxido de (itanio con proporción y/o distribución espacial a escala micrométrica de fases anatasa/rutilo a demanda para su aplicación en dispositivos funcionales de diversa índole tales como la producción de hidrógeno mediante la descomposición fotocatalítica del agua o células solares. Technique Sector The invention falls within the sector of semiconductor devices and functional coatings. More specifically, it refers to the manufacture of (itanium dioxide with proportion and / or spatial distribution at micrometric scale of anatase / rutile phases on demand for application in functional devices of various kinds such as the production of hydrogen by decomposition Photocatalytic water or solar cells.

Estado de la técnica El dióxido de titanio (Ti02) es en la actualidad uno de los materiales investigados con mayor profusión debido a sus múltiples aplicaciones tecnológicas e industriales, abarcando sectores como fotocatálisis, sensores de gases, células solares, almacenamiento de energía, pigmentos o medicina, entre otros (Asahi, R. et al., VisiblewLight Photocatalysis in NitrogenwDoped Titanium Oxides, Science, 293, 269w 271 (200 1); Roy, S.C. et al. Toward Solar Fue/s: Pholocatalytic Conversion olCarbon Dioxide lo Hydrocarbons, ACS Nano 4,1259-1278 (2010); Gratzel, M., Photoelectrochemical celJ.~. Nature, 414, 338344 (2001); Fabbri, F. et al.,ThermaJState of the art Titanium dioxide (Ti02) is currently one of the most investigated materials due to its multiple technological and industrial applications, covering sectors such as photocatalysis, gas sensors, solar cells, energy storage, pigments or medicine, among others (Asahi, R. et al., VisiblewLight Photocatalysis in NitrogenwDoped Titanium Oxides, Science, 293, 269w 271 (200 1); Roy, SC et al. Toward Solar Fue / s: Pholocatalytic Conversion olCarbon Dioxide lo Hydrocarbons, ACS Nano 4,1259-1278 (2010); Gratzel, M., Photoelectrochemical celJ. ~. Nature, 414, 338344 (2001); Fabbri, F. et al., ThermaJ

w w

Processing and Characterizations 01 DyewSensilized Solar Ceils Based on Nanostructured TiO;F, J. Phys. Chem. C. 11 7. 3729w 3738 (2013». De hecho, en la actualidad, el Ti02 es uno de los materiales de referencia en las aplicaciones basadas en fotocatálisis y está siendo empleado en la resolución de problemas medioambientales co mo la depuración de agua o la reducción de gases contaminantes. Por lo tanto, existe un creciente interés en ampliar su funcionalidad, impulsar el desarrollo de nuevas tecnologías y progresar en la investigación y optimización de sus propiedades. La mayoría de estas aplicaciones requiere un control exhaustivo de las dimensiones, estructura de defectos, dopado o polimorfismo de Ti02. Así, por ejemplo, la relación superficie-volumen aumenta considerablemente al fabricarse en forma de nanopartículas, lo que mejora su aplicabilidad en sistemas como sensores de gases o catalizadores, cuya respuesta puede optimizarse mediante un dopado adecuado. En particular, la actividad fotocatalítica del Ti02 mejora en muestras dopadas con Fe permitiendo, además, su uso en dispositivos magnéticos, mientras que dopado con Al favorece las aplicaciones en dispositivos de choque térmico. Processing and Characterizations 01 DyewSensilized Solar Ceils Based on Nanostructured TiO; F, J. Phys. Chem. C. 11 7. 3729w 3738 (2013 ». In fact, today, Ti02 is one of the reference materials in applications based on photocatalysis and is being used in the resolution of environmental problems such as water purification or the reduction of pollutant gases.Therefore, there is a growing interest in expanding its functionality, promoting the development of new technologies and progressing in research. and optimization of its properties.Most of these applications require a comprehensive control of the dimensions, defect structure, doped or polymorphism of Ti02, so, for example, the surface-volume ratio increases considerably when manufactured in the form of nanoparticles, which improves its applicability in systems such as gas sensors or catalysts, the response of which can be optimized by means of adequate doping. At the same time, the photocatalytic activity of Ti02 improves in samples doped with Fe allowing, in addition, its use in magnetic devices, while doped with Al favors applications in thermal shock devices.

El TiO¡ puede cristalizar en tres ectructuras; rutilo (tetragonal), anatasa (tetragonal) y brookita (ortorrómbica). Las fases metaestables anatasa y brookinta se transforman irreversiblemente a rutilo (la fase más estable) al elevar la temperatura. Acutalmente, las fases rutilo y anatasa son las más estudiadas y empleadas en diversas aplicaciones industriales en función de sus distintas 5 propiedades fisico-químicas, puesto que estaS fases presentan distintos valores de intervalo prohibido de energía, constante dieléctrica, índice de refracción, energía superficial o propiedades mecánicas (Hanaor, D. A. H el al., Review 01 (he anatase lo rutile phase transforma/ion, J. Mater. Sci. 46, 855-874 (2011). En consecuencia, la fase rutilo se emplea comúnmente en aplicaciones optoelectrónicas, mientras que la fase anatasa se usa 10 frecuentemente como catalizador. Asimismo, recientemente se ha comprobado que en algunos casos la mezcla controlada de fases anatasalrutilo permite optimizar la ap licabilidad de este material en sistemas basados en fotocatálisis (Ohno, T. et al., Synergism between rutile and ana/ase TiO; partie/es in pholoca/alytic oxida/ion oinaphthalene, Appl. Catal. A. 244, 383391 (2003)) en comparación con la respuesta de las fases puras. Además, algunas de las 15 aplicaciones de la fase anatasa se ven limitadas al poder t ransitar ésta a rutilo al elevar la temperatura, por lo que es imprescindible conocer los procesos que controlan la transición. En general, la transición anatasa-rutilo es un proceso no reversible que ocurre entre 600 y 700°C, siendo esta temperatura algo menor en el caso de que la anatasa se presente en forma de nanopartículas. Recientemente, se ha vuelto a retomar el estudio de esta transición poniéndose 20 de relevancia que, además de la necesidad de aportar una cierta energía térmica, hay otros factores como la presencia de vacantes de oxígeno, intersticiales de titanio, presencia de dopantes, o área superficial, que son fundamentales en el mecanismo de la transición. En la actualidad, aún no se han comprendido en detalle los procesos químicos y fisicos involucrados en la transición, o los mecanismos que la inhiben o la promueven, si bien se ha comprobado que 25 el dopado puede modi ficar la transición anatasa-rutilo (a modo de ejemplo, el dopado con Fe la favorece mientras que el dopado con Al la inhibe). Por ello, se hace especialmente importante encontrar métodos de control de la transición anatasa-rutilo que permitan regular la mezcla de fases de modo que puedan ser explotadas en el diseño de dispositivos funcionales de diversa índole tales como la producción de hidrógeno mediante la descomposición fotocatalítica del TiO¡ can crystallize in three structures; rutile (tetragonal), anatase (tetragonal) and brookite (orthorhombic). The metastable anatase and brookinta phases are irreversibly transformed into rutile (the most stable phase) when the temperature rises. Acutally, the rutile and anatase phases are the most studied and used in various industrial applications depending on their different physicochemical properties, since these phases have different values of forbidden energy range, dielectric constant, refractive index, surface energy or mechanical properties (Hanaor, DA H el al., Review 01 (he anatase lo rutile phase transforma / ion, J. Mater. Sci. 46, 855-874 (2011). Consequently, the rutile phase is commonly used in applications optoelectronics, while the anatase phase is frequently used as a catalyst.Also, it has recently been found that in some cases the controlled mixture of anatasalutile phases allows optimizing the applicability of this material in systems based on photocatalysis (Ohno, T. et al ., Synergism between rutile and ana / ase TiO; partie / es in pholoca / alytic oxida / ion oinaphthalene, Appl. Catal. A. 244, 383391 (2003)) in comparison with the Pure phase response. In addition, some of the 15 applications of the anatase phase are limited to being able to transfer it to rutile when raising the temperature, so it is essential to know the processes that control the transition. In general, the anatase-rutile transition is a non-reversible process that occurs between 600 and 700 ° C, this temperature being somewhat lower in the case that anatase is present in the form of nanoparticles. Recently, the study of this transition has been resumed, giving 20 relevance that, in addition to the need to provide a certain thermal energy, there are other factors such as the presence of oxygen vacancies, titanium interstitials, presence of dopants, or area superficial, which are fundamental in the transition mechanism. At present, the chemical and physical processes involved in the transition, or the mechanisms that inhibit or promote it, have not yet been fully understood, although it has been proven that the doping can modify the anatase-rutile transition (a by way of example, doped with Fe favors it while doped with Al inhibits it). Therefore, it is especially important to find anatase-rutile transition control methods that allow the phase mixing to be regulated so that they can be exploited in the design of functional devices of various kinds such as hydrogen production by photocatalytic decomposition of the

30 agua o células solares de elevada eficiencia basadas en colorantes, ampliando así la funcionalización de este material. 30 high efficiency water or solar cells based on dyes, thus expanding the functionalization of this material.

SIj han propue~to técnicas qUIj gljnljran la transición de anatas a-rutilo de un modo general y, por SIj have proposed techniques that make the transition from anatas to rutile in a general way and, for

tanto, sin control local. Algunas se refieren a un control mediante la temperatura de recocido Therefore, without local control. Some refer to a control by annealing temperature

(JP200513 7988, eN I 01698503), reacción en fase sólida (JP2005089213) o selección de la fase (JP200513 7988, eN I 01698503), solid phase reaction (JP2005089213) or phase selection

mediante anodización (JPS63297592). En la mayoría de las ocasiones la transición conseguida no es homogénea pudiendo aparecer regiones a la largo de la mezcla con fases sin control alguno. by anodizing (JPS63297592). In most cases the transition achieved is not homogeneous and regions may appear throughout the mixture with phases without any control.

5 En la presente invención se propone un procedimiento para controlar la transición anatasa-rutilo empleando irradiación láser produciendo estampados con control de fase cuantitativo y espacial simultáneamente. La monitorización de las fases se realiza mediante la técnica Raman. In the present invention a method is proposed to control the anatase-rutile transition using laser irradiation producing prints with quantitative and spatial phase control simultaneously. Phase monitoring is done using the Raman technique.

Hasta ahora, algunos autores han investigado la transición anatasa-rutilo mediante irrndiaci6n Until now, some authors have investigated the anatase-rutile transition through irrigation

10 láser analizando la influencia del tamaño de partícula, la presencia de diferentes atmósferas, la reactividad de la superficie o el dopado (Ricci, P.C. el al., Analase lo rutile phase lransition in TiO] nanoparticles irradialed by visible Iighl, Joumal ofPhysical Chemistl)' C 117, 7850·7857 (2013); Zhang, J. et al., UV Raman speclroscopic study on TiO]. 1. Phase transformation allhe Surface and in lhe bu/k, Journal of Physical Chemisll)' B 11 O, 927~935 (2006)). Sin embargo, 15 no se ha conseguido establecer un control en la generación local de fase rutilo o fases mixtas. 10 laser analyzing the influence of particle size, the presence of different atmospheres, surface reactivity or doping (Ricci, PC al., Analase lo rutile phase lransition in TiO] nanoparticles irradialed by visible Iighl, Joumal of Physical Chemistl) 'C 117, 7850 · 7857 (2013); Zhang, J. et al., UV Raman speclroscopic study on TiO]. 1. Phase transformation allhe Surface and in lhe bu / k, Journal of Physical Chemisll) 'B 11 O, 927 ~ 935 (2006)). However, it has not been possible to establish a control in the local generation of rutile phase or mixed phases.

Por otra parte, en el documento EP0767222 se describe un método de control que incorpora la On the other hand, EP0767222 describes a control method that incorporates the

monitorización de la distribución cuantitativa de las fases mediante \a técnica Raman. Sin monitoring of the quantitative distribution of the phases using Raman technique. Without

embargo, el método de la presente invención incorpora la monitorización de la distribución However, the method of the present invention incorporates distribution monitoring

20 espacial de las fases ampliando así su funcionalización. 20 spatial phases thus expanding its functionalization.

Descripción detallada de la invención Detailed description of the invention

Las nano partículas de dióxido de titanio se sintetizan empleando una variante del método de Titanium dioxide nanoparticles are synthesized using a variant of the method of

Pechini que pennite un gran control del tamaño y el dopado de las nanopartículas Pechini that has great control over the size and doping of nanoparticles

25 (P20 \400722). Los precursores empleados en el proceso de síntesis son Ti(OBU)4, ácido cítrico, etilenglicol y M (N03)J'9H20 en el caso de nanopartículas dopadas con un metal M (por ejemplo, Al o Fe). En primer lugar, se prepara una disolución de ácido cítrico con agua desionizada (en proporción 1:3). En segundo lugar, se añaden a la solución acuosa las cantidades estequiométricas de Ti(OBu)4 y del precursor del dopante seleccionado, mientras 25 (P20 \ 400722). The precursors used in the synthesis process are Ti (OBU) 4, citric acid, ethylene glycol and M (N03) J'9H20 in the case of nanoparticles doped with an M metal (for example, Al or Fe). First, a solution of citric acid with deionized water (in a 1: 3 ratio) is prepared. Second, the stoichiometric amounts of Ti (OBu) 4 and the precursor of the selected dopant are added to the aqueous solution, while

30 que la mezcla se mantiene bajo agitación continua a una temperatura inferior a 100°C (sin ebullición). Posterionnente se añade la cantidad de etilenglicol al ácido cítrico en relación 2:3 fonnándose un gel según se evapora el agua a una temperatura superior a 100°C lo que genera una resina que después se calcina para obtener un polvo fino de nanopartículas de dióxido de titanio. Con el objeto de eliminar residuos orgánicos, el polvo obtenido se somete a un 30 that the mixture is kept under continuous stirring at a temperature below 100 ° C (without boiling). Subsequently, the amount of ethylene glycol is added to the citric acid in a 2: 3 ratio, a gel being formed as the water evaporates at a temperature higher than 100 ° C, which generates a resin that is then calcined to obtain a fine powder of nanoparticles of carbon dioxide. titanium. In order to eliminate organic waste, the powder obtained is subjected to a

35 tratamiento ténnico a 350°C durante 30 horas_ Finalmente, las muestras dopadas con hierro son tratadas a 450°C durante 1 S horas y las dopadas con aluminio se tratan a 550°C durante 15 horas para completar la cristalización de las nanopartículas. The technical treatment at 350 ° C for 30 hours_ Finally, the samples doped with iron are treated at 450 ° C for 1 S hours and the doped with aluminum are treated at 550 ° C for 15 hours to complete the crystallization of the nanoparticles.

En ambos casos, se obtienen nanopartículas con un contenido de carbono por debajo del límite de detección del analizador empleado y un dopado controlado de hasta el 30% catiónico. Las dimensiones de las nanopartículas oscilan entre 3 y 10 nm en función del dopante y su concentración. En concreto, las nanopartículas de TiOl sin dopar presentan un tamaño de 3,5 nm mientras que las dopadas con Al muestran tamaños entre 5 y 10 nm, aproximadamente, en función del contenido catiónico de Al que varía entre ellO y el 30%; las muestras dopadas con Fe presentan tamaños en torno a 4,5 nm con poca variación en función del contenido catiónico de Fe. In both cases, nanoparticles with a carbon content below the detection limit of the analyzer used and a controlled doping of up to 30% cationic are obtained. The dimensions of the nanoparticles range between 3 and 10 nm depending on the dopant and its concentration. Specifically, the non-doped TiOl nanoparticles have a size of 3.5 nm while those doped with Al show sizes between approximately 5 and 10 nm, depending on the cationic content of Al which varies between 10 and 30%; Samples doped with Fe have sizes around 4.5 nm with little variation depending on the cationic content of Fe.

Las nanopartículas obtenidas son monofásicas de anatasa. Para generar la transición anatasarutilo de modo controlado espacialmente se utiliza una técnica de estampado con láser. Esta técnica se puede realizar, por ejemplo, mediante un microscopio con focal equipado con un láser de He-Cd de 325 nm para irradiar localmente la muestra. En este caso, el rango de penetración de la radiación láser de 325 nm en óxido de titanio es de, aproximadamente, 200 nm de fonna que la transfonnación de fase de realiza en una región superficial, lo cual resulta suficiente para los dispositivos cuya interacción con el medio se realiza a través de la superficie del mismo. Si se desea fabricar un dispositivo en el que la transfonnación de fase sea más volumétrica se puede optar por utilizar un láser de 633 nm, cuya penetración supera la micra, O incluso láseres con longitudes de onda en infrarrojo. Se puede utilizar también otras fuentes de excitación. The nanoparticles obtained are single phase anatase. A laser stamping technique is used to generate the anatasarutil transition in a spatially controlled manner. This technique can be performed, for example, by a focal microscope equipped with a 325 nm He-Cd laser to irradiate the sample locally. In this case, the penetration range of the 325 nm laser radiation in titanium oxide is approximately 200 nm in size that the phase transfusion is performed in a surface region, which is sufficient for devices whose interaction with The medium is made through its surface. If it is desired to manufacture a device in which the phase transfonation is more volumetric, it is possible to use a 633 nm laser, whose penetration exceeds the micron, or even lasers with infrared wavelengths. Other sources of excitation can also be used.

La irradiación con láser se lleva a cabo sobre una muestra en fonna de pastilla foonada en una prensa a partir de polvos que contengan nanopartículas de anatasa dopadas con Al o Fe en distintas concentraciones dependiendo de la temperatura de aplicación, la mezcla final de fases deseada y su distribución espacial. The laser irradiation is carried out on a sample in the form of a tablet foonated in a press from powders containing anatase nanoparticles doped with Al or Fe in different concentrations depending on the application temperature, the desired final mixture of phases and its spatial distribution

La cantidad de fase que transita se controla in silu mediante la técnica de espectroscopía Raman. Los espectros Raman de control se toman con la mínima potencia láser para evitar cambios en el estado de la muestra durante la medida y se ajustan mediante la calibración del espectro resultante a una mezcla ponderada del espectro propio de la fase anatasa y de la fase rutilo que indica la proporción de fases generada en el área irradiada. De esta fOnTIa, la transición anatasarutilo se puede controlar localmente con resolución micrométrica, lo que pennite la elaboración The amount of phase that transits is controlled in silu by Raman spectroscopy technique. The Raman control spectra are taken with the minimum laser power to avoid changes in the state of the sample during the measurement and are adjusted by calibrating the resulting spectrum to a weighted mixture of the proper spectrum of the anatase phase and the rutile phase that indicates the proportion of phases generated in the irradiated area. In this way, the anatasarutilic transition can be controlled locally with micrometric resolution, which makes the elaboration

de patrones de fase rutilo y/o mezcla a demanda de fases (ya sean de tipo periódico o más complejos) sobre zonas controladas de la muestra. of rutile phase patterns and / or mixing on demand of phases (whether periodic or more complex) on controlled areas of the sample.

Para el caso de anatasa pura la transic ión anatasa-rutilo se consigue empleando tiempos de In the case of pure anatase, the anatase-rutile transition is achieved using times of

5 irradiación elevados y la máxima potencia láser (tras 5 horas de irradiación se alcanza la foonación de un 60% de rutilo). En el caso de anatasa dopada con Alla transición anatasa-rutilo se inhibe por lo que no se consigue la transición aunque se utilicen tiempos de ¡rradición elevados y máxima potencia. Por el contrario, en el caso de la anatasa dopada con Fe la transición anatasa-rutilo se promueve y tiene lugar rápidamente. En la Tabla 1 se resumen 5 high irradiation and maximum laser power (after 5 hours of irradiation the foonation of 60% rutile is achieved). In the case of anatase doped with Alla anatase-rutile transition, it is inhibited so that the transition is not achieved even if high rdition times and maximum power are used. On the contrary, in the case of Anatase doped with Fe the anatase-rutile transition is promoted and takes place rapidly. Table 1 summarizes

10 algunos parámetros necesarios para promover la transición de un cierto porcentaje de fase anatasa a rutilo en función de la duración de la irradiación láser a la máxima potencia y el porcentaje catiónico de dopante del material de partida. 10 some parameters necessary to promote the transition of a certain percentage of anatase phase to rutile depending on the duration of the laser irradiation at maximum power and the cationic percentage of dopant of the starting material.

Tabla I Table I

CONTENIDO CATIÓNICO DE DOPANTE 0% 10%AI 20% Al 30%AI 10% Fe 20% Fe CATIONIC DOPANT CONTENT 0% 10% AI 20% At 30% AI 10% Fe 20% Fe
TIEMPO DE IRRADlACION (% DE TRANSICiÓN A RUTILO) 5h (60%) 5h (0%) 60 min (64%) 100 mi n(82%) 20 s (88%) IRRADLATION TIME (% OF ROAD TRANSITION) 5h (60%) 5h (0%) 60 min (64%) 100 mi (82%) 20 s (88%)

15 A medida que aumenta el contenido en Fe la transic ión anatasa-rutilo se consigue en un menor tiempo, necesitando solamente algunos segundos en el caso de las nanopartículas dopadas con el 2(Y% de Fe. Durante la irradiación el láser se enfoca sobre la muestra en un punto de, aproximadamente, 2 micras de diámetro; debido a la distribución gaussiana de intensidad la 15 As the Fe content increases, the anatase-rutile transition is achieved in a shorter time, requiring only a few seconds in the case of nanoparticles doped with 2 (Y% Fe. During irradiation the laser focuses on the sample at a point of approximately 2 microns in diameter; due to the Gaussian intensity distribution the

20 zona efectiva de transición se limita a una región de 1 micra de diámetro, lo que permite controlar las regiones en las que la fase anatasa transita a rutilo con resolución micrométrica. Además, la región de irradiación se puede monitorizar estableciendo la posición de láser, el tiempo que el láser irradia cada punto, así como el patrón a seguir durante la irradiación. Esto permite la elaboración de patrones de fase rutilo o mezcla de fases a demanda, ya sean de tipo The effective transition zone is limited to a region of 1 micron in diameter, which allows to control the regions in which the anatase phase transits to rutile with micrometric resolution. In addition, the irradiation region can be monitored by establishing the laser position, the time the laser radiates each point, as well as the pattern to follow during irradiation. This allows the elaboration of rutile phase patterns or mixing of phases on demand, whether of type

25 periódico o más complejos. 25 newspaper or more complex.

Debido al control de los parámetros, especialmente el tiempo de irradiación (dependiente, a su vez, del contenido en Fe), la transición puede ser completa o parcial, de forma que mediante el estampado con láser se puede elegir entre zonas micrométricas de fase anatasa pura (las no 30 iluminadas) zonas de fase rutilo puras (iluminadas suficientemente para transitar Due to the control of the parameters, especially the irradiation time (dependent, in turn, on the Fe content), the transition can be complete or partial, so that by means of laser stamping you can choose between micrometric zones of anatase phase pure (the 30 not lit) areas of pure rutile phase (lit enough to transit

completamente) y zonas con mezcla de fases (iluminadas durante un tiempo limitado para que transiten parcialmente), en función de las necesidades y funcionalidad requeridas. completely) and areas with a mixture of phases (illuminated for a limited time to partially transit), depending on the needs and functionality required.

Modo de realización de la invención 5 La presente invención se ilustra adicionalmente mediante los siguientes ejemplos los cuales no pretenden ser limitativos de su alcance. EMBODIMENT OF THE INVENTION The present invention is further illustrated by the following examples which are not intended to limit its scope.

Ejemplo 1: En este ejemplo se muestra el control local de la transición inducida por irradiación láser en 10 función del dopado y el tiempo de irradiación. Example 1: This example shows the local control of the transition induced by laser irradiation depending on the doping and the irradiation time.

La transición de fase se induce de forma localizada empIcando un láser de Hc-Cd Kimmon /K The phase transition is induced locally by using a Kimmon / K Hc-Cd laser

Series con una longitud de onda de 325 Dm y una potencia de salida de 25mW en un microscopio Series with a wavelength of 325 Dm and an output power of 25mW in a microscope

láser confocal Horiba Jobin-Yvon LbRam lfR800. La identificación de fase se realiza in situ por confocal laser Horiba Jobin-Yvon LbRam lfR800. The phase identification is done in situ by

15 medio de la técnica de espectroscopía Raman reduciendo la potencia de salida del láser en factores 0.5, 0.25 Y 0.1 por medio de filtros neutros. El software empleado en la adquisición y análisis de los datos (LabSpec 5) permire, además de tomar espectros puntuales, tomar espectros en mallas con forma lincal, cuadrada, circular o poligonal ajustando el número dc puntos de la malla y el tiempo de exposición del láser. 15 means of the Raman spectroscopy technique reducing the output power of the laser by factors 0.5, 0.25 and 0.1 by means of neutral filters. The software used in the acquisition and analysis of the data (LabSpec 5) allows, in addition to taking specific spectra, to take spectra in meshes with a lincal, square, circular or polygonal shape by adjusting the number of points of the mesh and the exposure time of the To be.

20 En una primera etapa se obtienen los espectros Raman caracterlsticos de muestras de nanopartículas sin dopar para cada fase (rutilo y anatasa) crecidas por el mismo método, que se utilizan como referencia. Para ello, se realiza sobre cada muestra un mapa de espectros Raman en una malla cuadrada de 15x 15 puntos espaciados 0.5 11m, fijando el tiempo de adquisición en In a first stage, the characteristic Raman spectra of samples of undoped nanoparticles are obtained for each phase (rutile and anatase) grown by the same method, which are used as reference. To do this, a map of Raman spectra is made on each sample in a 15x 15 mesh square spaced 0.5 11m, setting the acquisition time to

25 10 segundos y 2 repeticiones en cada punto y empleando un filtro neutro de factor 0.1, reduciendo así al mínimo la potencia del láser con el fin de no promover la transición anatasa· rutilo durante la medida. Una vez obtenido el mapa, se promedian todos los espectros para obtener un espectro Raman característico de la fase anatasa (SA) y otro de la fase rutilo (SR) que se han corregido para tener en cuenta la distinta sección eficaz de dispersión Raman de ambas 25 10 seconds and 2 repetitions at each point and using a neutral filter of factor 0.1, thus minimizing the laser power in order not to promote the anatase · rutile transition during measurement. Once the map is obtained, all the spectra are averaged to obtain a characteristic Raman spectrum of the anatase phase (SA) and another of the rutile phase (SR) that have been corrected to take into account the different effective Raman dispersion section of both

30 fases. 30 phases

En la segunda etapa se irradian las distintas muestras de nanopartículas (sin dopar, dopadas con Fe o dopadas con Al en distintas concentraciones) con la potencia máxima de láser (sin filtro neutro) durante tiempos controlados que oscilan entre los 30 segundos y las 6 horas, en función 35 de la muestra y el tíempo que requiera la transición de fase. Mediante la adquisición periódica In the second stage, the different nanoparticle samples (without doping, doped with Fe or doped with Al in different concentrations) are irradiated with the maximum laser power (without neutral filter) during controlled times ranging from 30 seconds to 6 hours , depending on the sample and the time required by the phase transition. Through periodic acquisition

de espectros Raman, empleando [a mínima densidad de potencia del láser, se monitoriza la evolución de [a transición anatasa-rutilo de moclo que se pueda establecer el tiempo necesario para generar parcial o totalmente la transición anata!';a-rulilo en cada mue!';lra. of Raman spectra, using [at minimum laser power density, the evolution of [a anatase-rutile mucus transition can be monitored so that the time needed to partially or totally generate the anata transition can be established! '; a-rulilo in each mue! '; lra.

En la tercera etapa se reproducen los espectros finales de las muestras irradiadas, según las condiciones establecidas previamente, por medio de una combinación lineal de los espectros obtenidos en la primera etapa. In the third stage the final spectra of the irradiated samples are reproduced, according to the conditions previously established, by means of a linear combination of the spectra obtained in the first stage.

Mediante este método se puede calcular el porcentaje de fase rutilo generado Iras la irradiación (Sexp) durante un tiempo t determinado mediante la ecuación: S~xp "" aSA + pSII Using this method you can calculate the percentage of generated rutile phase Iras irradiation (Sexp) during a time t determined by the equation: S ~ xp "" aSA + pSII

donde o. y p son los parámetros de la combinación lineal empleados para reproducir el espectro S"X(» a partir de los espectros de referencia SA y SI/. Estos parámetros indican la fracción en volumen de cada una de las fases en función del tiempo de irradiación que condiciona la proporción de fase rutilo/anatasa generada en cada muestra. where or. and p are the parameters of the linear combination used to reproduce the S "X (» spectrum from the reference spectra SA and SI /. These parameters indicate the volume fraction of each of the phases as a function of the irradiation time that determines the proportion of rutile / anatase phase generated in each sample.

Así, al irradiar una muestra de Ti02 sin dopar durante 5 horas con la máxima potencia del láser, el análisis de los espectros Raman indican unos coeficientes a =OA y p=O.6; es decir, se genera un 40% de fase anatasa y un 60% de fase rutilo. En el caso de muestras dopadas con Fe (20% catiónico), tras 20 segundos de irradiación, se consigue generar un 88% de n.tilo (Tabla 1). Thus, when irradiating a sample of Ti02 without doping for 5 hours with the maximum laser power, the analysis of the Raman spectra indicates coefficients a = OA and p = O.6; that is, 40% of the anatase phase and 60% of the rutile phase are generated. In the case of samples doped with Fe (20% cationic), after 20 seconds of irradiation, it is possible to generate 88% of n.til (Table 1).

Ejemplo 2: Estampación de motivos micrométricos por medio de irradiación láser. Example 2: Stamping of micrometric patterns by means of laser irradiation.

El estampado mediante irradiación láser se realiza sobre muestras de nanoparticulas de Ti02 dopadas con Fe (20% catiónico). Stamping by laser irradiation is performed on samples of Ti02 nanoparticles doped with Fe (20% cationic).

Para conocer la resolución espacial se genera la transición de fase localmente irradiando la muestra en un único punto sin emplear filtros neutros y manteniendo el láser bien focalizado sobre la superficie de la muestra, Posterionnenle se adquiere un mapa de espectros empleando una potencia láser reducida con un filtro neutro de factor 0.1 en una malla cuadrada de, aproximadamente, 5x5 ~m2 de área en pasos de 0.2 ~m (en ambas direcciones x e y) manteniendo el punto de irradiado en el centro, En cada punto se adquieren espectros Raman de control. Finalmente, se representa el mapa resultante de las intensidades de los picos de Raman característicos de cada fase (El: en J50 cm,l para la fase anatasa y AI~ en 611 cm-1 para la fase rutilo) que indican la distribución espacial de las fases anatasa y rutilo en la región analizada. La radiación láser permite generar localmente regiones de rutilo transitada a partir de anatasa con una resolución espacial de diámetro d = 1 Jlm (Figura la). To know the spatial resolution, the phase transition is generated locally by irradiating the sample at a single point without using neutral filters and keeping the laser well focused on the surface of the sample. Posterionnenle acquires a map of spectra using a reduced laser power with a Neutral filter of factor 0.1 in a square mesh of approximately 5x5 ~ m2 of area in steps of 0.2 ~ m (in both x and y directions) keeping the irradiated point in the center. Control raman spectra are acquired at each point. Finally, the resulting map of the intensities of the Raman peaks characteristic of each phase is represented (El: in J50 cm, l for the anatase phase and AI ~ in 611 cm-1 for the rutile phase) indicating the spatial distribution of the anatase and rutile phases in the analyzed region. Laser radiation allows locally generated regions of rutile transited from anatase with a spatial resolution of diameter d = 1 Jlm (Figure la).

Para realizar el estampado de un motivo concreto sobre la superficie de la muestra se genera una malla poligonal con la forma y dimensiones deseadas. En este ejemplo se ha generado una malla de dimensiones 15 jlm de ancho y lS¡lIn de alto, estableciendo una separación de puntos dentro de la malla de 0.5 Jlm (aproximadamente la mitad de la resolución espacial determinada anteriormente) en las direcciones x e y. To print a specific motif on the surface of the sample, a polygonal mesh with the desired shape and dimensions is generated. In this example, a mesh of dimensions 15 jlm wide and lS¡lIn high has been generated, establishing a separation of points within the mesh of 0.5 Jlm (approximately half of the spatial resolution determined above) in the x and y directions.

Se diseña el patrón de irradiación que seguirá el láser (en este caso una letra "T", según muestra la Figura lb) y se fijan 120 segundos de exposición continua en cada punto, asegurando una transición de fase anatasa a rutilo completa en la muestra. Posteriormente se adquiere el mapa de intensidades Raman, empleando la mínima potencia del láser, en una malla cuadrada de 20x20 ~m2 y paso de 0.25 ).1m manteniendo centrado el motivo estampado con el fin de identificar las regiones donde se ha generado fase rutilo mediante la irradiación controlada del láser. Se consigue de este modo generar con gran precisión la fase rutilo siguiendo el patrón de estampación preestablecido (Figura Ic). The irradiation pattern that the laser will follow is designed (in this case a letter "T", as shown in Figure lb) and 120 seconds of continuous exposure are set at each point, ensuring a transition from anatase phase to complete rutile in the sample . Subsequently, the Raman intensities map is acquired, using the minimum laser power, in a square mesh of 20x20 ~ m2 and 0.25) step. 1m keeping the patterned motif centered in order to identify the regions where rutile phase has been generated by controlled irradiation of the laser. In this way, the rutile phase is generated with great precision following the preset stamping pattern (Figure Ic).

Ejemplo 3: Obtención a demanda de muestras de óxido de titanio con fases controladas cuantitativa y/o espacialmente. Example 3: Obtaining on demand samples of titanium oxide with quantitative controlled phases and / or spatially

Se elabora una malla cuadrada de n¡xn¡ puntos de irradiación, en áreas de L¡xL} ~m2, tal como se muestra en el esquema de la Figura 2. El área irradiada por el láser en cada uno de los n¡xm pasos corresponde a 1[(d/2)2, siendo d el diámetro de la región circular micrométrica irradiada en cada punto por láser enfocado sobre la muestra. De esta forma se obtienen áreas con una distribución de fases controlada espacialmente al irradiar en cada punto durante un tiempo suficiente como para promover completamente la transición de fase, o el porcentaje de fase rutilo en cada punto determinado por el tiempo de irradiación (O < R¡ (%) < 100), bajo la condición de que el paso del láser sea mayor a la resolución espacial, es decir, L/ni:::: d. El porcentaje de fase rutilo generado en el área de estudio (L,xL) ~m2) puede calcularse según: A square mesh of nnxn irradiation points is made, in areas of LxL} ~ m2, as shown in the diagram in Figure 2. The area irradiated by the laser in each of the nmxm steps corresponds to 1 [(d / 2) 2, where d is the diameter of the micrometric circular region irradiated at each point by laser focused on the sample. In this way, areas with a spatially controlled phase distribution are obtained by irradiating at each point for a sufficient time to fully promote the phase transition, or the percentage of rutile phase at each point determined by the irradiation time (O <R ¡(%) <100), under the condition that the passage of the laser is greater than the spatial resolution, that is, L / ni :::: d. The percentage of rutile phase generated in the study area (L, xL) ~ m2) can be calculated according to:

Descripción de las figuras 5 La Figura I muestra: (a) la distribución de fase rutilo (gris) generada localmente mediante irradiación láser puntual en un área compuesta por fase anatasa (negro), (b) el patrón de irradiación en forma de letra ''T' a seguir por el láser y (e) la distribución de fase anatasa (negro) y rutilo (gris) sobre una región previamente irradiada según el patrón indicado. Description of the figures 5 Figure I shows: (a) the distribution of rutile phase (gray) generated locally by point laser irradiation in an area composed of anatase phase (black), (b) the letter-shaped irradiation pattern ' 'T' to be followed by the laser and (e) the distribution of anatase (black) and rutile (gray) phase over a previously irradiated region according to the indicated pattern.

10 La Figura 2 representa el esquema de una malla de n¡xn) puntos irradiados sobre un área de 10 Figure 2 depicts the scheme of a mesh of nxn) points irradiated over an area of

L,xL} ~m2 . L, xL} ~ m2.

Claims (10)

REIVINDICACIONES 1. Procedimiento de obtención de dióxido de titanio nanocristalino con mezcla de fases anatasa y rutilo controladas en proporción y distribución espacial mediante irradiación láser que 1. Procedure for obtaining nanocrystalline titanium dioxide with a mixture of anatase and rutile phases controlled in proportion and spatial distribution by laser irradiation that comprende: understands: Obtener los espectros Raman característicos de nanopartículas sin dopar para cada fase (anatasa y rutilo) Diseñar un patrón de irradiación que seguirá el láser sobre la muestra irradiada. Irradiar con láser, siguiendo el patrón diseñado, las nanoparticulas de dióxido de titanio monofásicas de anatasa en forma de pastilla. Controlar la evolución de la transición anatasa-rutilo mediante la adquisición de espectros Raman del material irradiado. Calcular el porcentaje de la fase rutilo generada por comparación entre los espectros obtenidos en la monitorización y los espectros característicos de cada fase. Mantener el proceso de irradiación hasta conseguir el porcentaje de fase rutilo deseado. Obtain the characteristic Raman spectra of undoped nanoparticles for each phase (anatase and rutile) Design an irradiation pattern that will follow the laser on the irradiated sample. Irradiate with laser, following the designed pattern, the single-phase anatase titanium dioxide nanoparticles in the form of a tablet. Control the evolution of the anatase-rutile transition by acquiring Raman spectra of the irradiated material. Calculate the percentage of the rutile phase generated by comparison between the spectra obtained in the monitoring and the characteristic spectra of each phase. Maintain the irradiation process until the desired percentage of rutile phase is achieved.
2. 2.
Procedimiento de obtención de dióxido de titanio nanocristalino con mezcla de fases anatasa y rutilo controladas en proporción y distribución, según reivindicación 1, donde las nallopartículas de dióxido de titanio irradiadas son puras o dopadas con Al y/o Fe. Procedure for obtaining nanocrystalline titanium dioxide with a mixture of anatase and rutile phases controlled in proportion and distribution, according to claim 1, wherein the irradiated titanium dioxide nalloparticles are pure or doped with Al and / or Fe.
3. 3.
Procedimiento de obtención de dióxido de titanio nanocristalino con mezcla de fases anatasa y rutilo controladas en proporción y distribución, según reivindicaciones 1 y 2, donde la irradiación se realiza localmente mediante un microscopio con focal equipado con un láser He-Cd con una longitud de onda de 325 nm y una potencia de salida de Procedure for obtaining nanocrystalline titanium dioxide with a mixture of anatase and rutile phases controlled in proportion and distribution, according to claims 1 and 2, where irradiation is performed locally by means of a focal microscope equipped with a He-Cd laser with a wavelength of 325 nm and an output power of
25mW. 25mW
4. Four.
Procedimiento de obtención de dióxido de titanio nanocristalino con mezcla de fases anatasa y rutilo controladas en proporción y distribución, según reivindicaciones anteriores, donde los espectros característicos de cada fase (anatasa y rutilo) y los espectros de control se toman con la mínima potencia láser y se ajustan mediante la calibración del espectro resultante a una mezcla ponderada del es pectro propio de la fase anatasa (SA) y de la fase rutilo (SR). Procedure for obtaining nanocrystalline titanium dioxide with a mixture of anatase and rutile phases controlled in proportion and distribution, according to previous claims, where the characteristic spectra of each phase (anatase and rutile) and the control spectra are taken with the minimum laser power and they are adjusted by calibrating the resulting spectrum to a weighted mixture of the spectrum characteristic of the anatase phase (SA) and the rutile phase (SR).
5. 5.
Procedimiento de obtención de dióxido de titanio nanocristalino con mezcla de fases anafasa y rutilo controladas en proporción y distribución, según reivindicación 3, dOnde la potencia de salida del láser se reduce en factores 0.5, 0.25 Y 0.1 empleando filtros neutros. Procedure for obtaining nanocrystalline titanium dioxide with a mixture of anaphase and rutile phases controlled in proportion and distribution, according to claim 3, where the laser output power is reduced by factors 0.5, 0.25 and 0.1 using neutral filters.
6. 6.
Procedimiento de obtención de dióxido de titanio nanocristalino con mezcla de fases anafasa y rutilo controlada en proporción y distribución, según reivindicaciones anteriores, donde la irradiación de las nanopartículas dopadas o sin dopar se realiza sobre una región circular micrométrica de diámetro d con la potencia máxima del láser durante tiempos controlados que oscilan entre 30 segundos y 6 horas en función de la composición de la muestra y el porcentaje de fase rutilo deseada. Procedure for obtaining nanocrystalline titanium dioxide with a mixture of anaphase and rutile phases controlled in proportion and distribution, according to previous claims, where the irradiation of the doped or undoped nanoparticles is carried out on a micrometric circular region of diameter d with the maximum power of laser during controlled times ranging between 30 seconds and 6 hours depending on the composition of the sample and the desired rutile phase percentage.
7. 7.
Procedimiento de obtención de dióxido de titanio nanocristalino con mezcla de fases anatasa y rutilo controladas en proporción y distribución, según reivindicaciones anteriores, donde el porcentaje de fase rutilo generado en un punto tras la irradiación (Se.~p) durante un tiempo (t) se calcula mediante la ecuación: Procedure for obtaining nanocrystalline titanium dioxide with a mixture of anatase and rutile phases controlled in proportion and distribution, according to previous claims, wherein the percentage of rutile phase generated at a point after irradiation (Se. ~ P) for a time (t) It is calculated by the equation:
S~Jp "" aSA+ pSn S ~ Jp "" aSA + pSn donde el y Pson los parámetros de la combinación lineal empleados para reproducir el where he and P are the linear combination parameters used to reproduce the espectro St~p, a partir de los espectros de referencia SA y Sil, que representan la fracción St ~ p spectrum, from the reference spectra SA and Sil, which represent the fraction en volumen de cada una de las fases en función del tiempo de irradiación. in volume of each of the phases depending on the irradiation time.
8. 8.
Procedimiento de obtención de dióxido de titanio nanocristalino con mezcla de fases anatasa y rutilo controlada en proporción y distribución, según reivindicación 1, donde el patrón de irradiación es una malla de n¡xm puntos de irradiación en áreas de Procedure for obtaining nanocrystalline titanium dioxide with anatase and rutile phase mixture controlled in proportion and distribution, according to claim 1, wherein the irradiation pattern is a mesh of nxm irradiation points in areas of
L¡xL21lm2 siendo L/ni ?d, siendo d el diámetro de la región circular micrométrica irradiada en cada punto por el láser enfocado sobre la muestra Lxx21lm2 being L / ni? D, where d is the diameter of the micrometric circular region irradiated at each point by the laser focused on the sample
9. 9.
Procedimiento de obtención de dióxido de titanio nanocristalino con mezcla de fases Procedure for obtaining nanocrystalline titanium dioxide with phase mixing
anatasa y rutilo controlada en proporción y distribución, según reivindicación 8, donde el área irradiada por el láser en cada uno de los n/Xn] pasos corresponde a 1t(d/2)2. anatase and rutile controlled in proportion and distribution, according to claim 8, wherein the area irradiated by the laser in each of the n / Xn] steps corresponds to 1t (d / 2) 2.
10. Procedimiento de obtención de dióxido de titanio nanocristalino con mezcla de fases anatasa y rutilo controlada en proporción y distribución, según reivindicaciones 8 y 9, 10. Procedure for obtaining nanocrystalline titanium dioxide with anatase and rutile phase mixing controlled in proportion and distribution, according to claims 8 and 9, donde el porcentaje de fase rutilo generado en e l área de estudio, L,XL2 (Ilm2) se calcula según la ecuación: where the percentage of rutile phase generated in the study area, L, XL2 (Ilm2) is calculated according to the equation:
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