XXXVI Reunión Bienal de la Real Sociedad Española de Física

Generando hidrógeno con agua y luz: Trisulfuros ternarios bidimensionales en celdas fotoelectroquímicas

17 jul. 2017 18:45

30m

Aula de Física (Facultad Química (USC))

Oral parallel contribution Energy and Sustainability Energy and Sustainability I

Descripción

Desde 1972 cuando Fujishima y Honda[1] demostraron que la ruptura de la molécula de agua con luz y TiO2 como fotoánodo era posible, el interés por investigar compuestos capaces de generar de hidrógeno mediante la disociación de H2O en celdas fotoelectroquímicas (PECs) ha ido aumentando notablemente y con una mayor intensidad en los últimos años[2,3]. Particularmente, destacan las investigaciones con materiales pertenecientes a la familia de los calcogenuros de metales en transición (TMCs por sus siglas en inglés), entre los cuales se encuentran el grupo de los trisulfuros metálicos binarios (MS3), investigados previamente como fotoánodos en procesos de generación de H2[4,5], y el de trisulfuros metálicos ternarios (MM’S3, M y M’= Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, etc.), investigados en el presente trabajo. Estos materiales exhiben propiedades que cumplen los requerimientos necesarios para ser utilizados en procesos de fotogeneración de hidrógeno en PEC, i.e., morfología bidimensional que les confiere una alta superficie específica, idónea energía de la banda prohibida, propiedades de transporte óptimas, adecuada posición de sus bandas de energía[6], en la interfase semiconductor/electrolito, etc. Los materiales investigados en este trabajo (TixNb1-xS3 y TixZr1-xS3) se han sintetizado a partir de bicapas metálicas de Ti-Nb y Ti-Zr mediante una reacción sólido-gas entre dichas bicapas y azufre en el interior de una ampolla sellada a vacío y calentada a 550ºC. Las muestras obtenidas se han caracterizado estructuralmente por difracción de rayos X (XRD), composicionalmente por análisis de energía dispersiva de rayos X (EDX) y espectroscopia Raman y, finalmente, morfológicamente mediante microscopía electrónica de barrido (SEM, SEM-FEG) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). La caracterización electroquímica para estudiar la interfase semiconductor/electrolito se realizó utilizando una celda fotoelectroquímica en configuración de 3 electrodos, siendo el platino (Pt) el contraelectrodo (CE), los materiales investigados los electrodos de trabajo (WE) y un electrodo de Ag/AgCl como referencia. Como electrolito se ha usado NaSO3 0.5M . Figura 1. Morfología del trisulfuro ternario de Ti-Zr sintetizado a 550ºC durante 20h. Como resultado, se ha obtenido por primera vez la posición de los niveles de energía respecto al electrodo normal de hidrógeno (NHE) a partir de los potenciales de banda plana y la energía de banda prohibida, comprobando que dichos materiales son idóneos para la generación de hidrógeno asistida por luz. La fotogeneración de H2 en PEC se realizó con 200mW/cm2 de iluminación (luz blanca) a dos potenciales de polarización 0.0V y 0.3V vs Ag/AgCl. Se han obtenido flujos de hidrógeno de hasta ~140 μmolH_2/h, cuantificados mediante un espectrómetro de masas. Estos valores se compararán con aquellos obtenidos con otros materiales bien establecidos y se discutirán nuevas aproximaciones para mejorar estos compuestos. Los autores agradecen a F. Moreno el apoyo técnico prestado y al proyecto MINECO-FEDER (2015-65203R) la financiación económica. E. Flores agradece al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México (CONACyT) la financiación para realizar este trabajo enmarcado dentro de su Tesis Doctoral. [1] A. Fujishima, K. Honda, Nature 1972, 238, 37. [2] Z. Li, W. Luo, M. Zhang, J. Feng, Z. Zou, Energy Env. Sci 2013, 6, 347. [3] J. Li, N. Wu, Catal Sci Technol 2015, 5, 1360. [4] M. Barawi, E. Flores, I. J. Ferrer, J. R. Ares, C. Sánchez, J Mater Chem A 2015, 3, 7959. [5] E. Flores, J. R. Ares, I. J. Ferrer, C. Sánchez, Phys. Status Solidi RRL - Rapid Res. Lett. 2016, 10, 802. [6] M. Barawi, J. M. Clamagirand, M. Ponthieu, S. Yoda, J. R. Ares, J. Bodega, J. F. Fernández, I. J. Ferrer, F. Leardini, C. Sánchez, Revista de la RSEF 2013, 27, 47.