Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio (May 2022)
Al3+ doping reduces the electron/hole recombination in photoluminescent copper ferrite (CuFe2−xAlxO4) nanocrystallites
Abstract
Nanocrystalline copper ferrite shows distinct photocatalytic properties, but it suffers from a high recombination rate of photogenerated electrons (e−) and holes (h+) due to its narrow bandgap. Herein, Al3+ doping is shown to reduce the (e−/h+) recombination rate and improve the charge carriers’ availability in doped CuFe2−xAlxO4 (0 ≤ x ≤ 1) nanoparticles produced by a solid-state, mechanochemical process. CuFe2−xAlxO4 (0 ≤ x ≤ 1) nanoparticles exhibit the growth of a nanocrystalline cubic spinel lattice when annealed at 1000 °C. The lattice parameter is reduced by Al3+ doping due to the smaller ionic radius of Al3+ ions substituting bigger Fe3+ ions. However, a higher degree of sintering and greater crystallite size are observed for Al3+ doped samples. The surface morphology and topography also reveal an increase in the particle size, but significantly narrow size distribution and greater homogeneity. The effect of Al3+ doping on the optical properties of CuFe2−xAlxO4 (0 ≤ x ≤ 1) nanoparticles is demonstrated by a decrease in the photoluminescence signal that is attributed to the lower rate of (e−/h+) recombination. Thus, Al3+ doping increases transition time and improves the availability of charge carriers for potential photocatalytic applications. Resumen: La ferrita de cobre nanocristalino muestra propiedades fotocatalíticas distintas, pero sufre de una alta tasa de recombinación de electrones fotogenerados (e−) y agujeros (h+) debido a su estrecha banda prohibida. Aquí, se muestra que el dopaje Al3+ reduce la tasa de recombinación (e-/h+) y mejora la disponibilidad de los portadores de carga en nanopartículas de CuFe2-xAlxO4 (0 ≤ x ≤ 1) dopadas producidas por un proceso mecanoquímico de estado sólido. Las nanopartículas de CuFe2-xAlxO4 (0 ≤ x ≤ 1) exhiben el crecimiento de una red de espinela cúbica nanocristalina, cuando se recocen a 1000 °C. El parámetro de red se reduce por el dopaje Al3+ debido al radio iónico más pequeño de los iones Al3+ que sustituyen los iones Fe3+ más grandes. Sin embargo, se observa un mayor grado de sinterización y un mayor tamaño de cristalito para las muestras dopadas con Al3+. La morfología y la topografía de la superficie también revelan un aumento en el tamaño de partícula, pero una distribución del tamaño significativamente más estrecha y una mayor homogeneidad. El efecto del dopaje Al3+ sobre las propiedades ópticas de las nanopartículas de CuFe2-xAlxO4 (0 ≤ x ≤ 1) se demuestra por una disminución en la señal de fotoluminiscencia que se atribuye a la tasa más baja de recombinación (e-/h+). Por lo tanto, el dopaje Al3+ aumenta el tiempo de transición y mejora la disponibilidad de portadores de carga para posibles aplicaciones fotocatalíticas.
