Desarrollo de fotoelectrodos de delafosita (CuFeO2) para la fotoelectrólisis del agua

Abstract

RESUMEN : Actualmente el diseño de sistemas de celdas fotoelectroquímicas (PEC) es de interés para una producción de hidrógeno de manera eficiente y de bajo costo. Dicha tecnología involucra el desarrollo de fotoelectrodos que logren satisfacer las funciones a gran escala bajo ciertas condiciones de operación con buena fotocorriente y estabilidad. En este trabajo se propone el desarrollo de fotoelectrodos en base delafosita (CuFeO2), la delafosita es un material atractivo para la elaboración de fotoelectrodos debido a su buena estabilidad química y la excelente movilidad de los portadores de carga. Sin embargo, su desempeño se ve limitado porque exhibe una limitada fotocorriente; al presentar procesos de recombinación de carga que ocurren en la interfaz entre el electrodo y el electrolito. Por esta razón resulta atractivo el desarrollo y adición de elementos para la mejora de las propiedades fotoeléctricas de la delafosita para promover su posible aplicación como fotoelectrodo. En este trabajó se logra establecer un método de fabricación por medio de espray pirólisis a 30 pasadas con una concentración de precursores de 0.2 M de hierro y 0.8 M de cobre, en un solvente de 69.5 % agua desionizada, 29.5 % etanol y 1 % etilenglicol observando una disminución de defectos en la superficie como posibles trampas en la caída de la fotocorriente. Además, en el ajuste del tratamiento térmico se encontró una mejora debido a la organización cristalográfica causada por el recocido en atmósfera de argón. Los elementos metálicos añadidos como níquel, estaño, cobalto y cerio a diferentes porcentajes atómicos (at %) lograron una mejora en las propiedades fotoeléctricas y de estabilidad frente al fotoelectrodo con delafosita. La mejor fotocorriente obtenida fue de 0.038 mA cm-2 a -0.203 V vs RHE, obtenida con el material en base delafosita con cerio. Este resultado comparado a lo reportado en la literatura representa un 38 % aproximadamente del valor reportado con otro tipo de modificaciones en ambientes más controlados. Algunos métodos como espectroscopia de impedancia fotoelectroquímica (PEIS) y la espectroscopia de fotocorriente modulada por intensidad (IMPS) son usados para medir la eficiencia de transferencia de carga de los fotoelectrodos, los cuales, podrían ser utilizados para la caracterización de sistemas altamente eficientes a gran escala. El desempeño y el mecanismo de actuación de la delafosita como fotoelectrodo aún está en discusión por los diferentes autores que han trabajado con dicho material. El presente trabajo no es la excepción frente a los resultados encontrados en la caracterización, sin embargo, no se logró obtener gráficos estables para el cálculo de las eficiencias de transferencia de carga interfacial principalmente debido a la posible degradación de los fotoelectrodos, la descrita recombinación superficial, creación de estados superficiales y las bajas corrientes.

ABSTRACT : Currently, the design of photoelectrochemical cell (PEC) systems is of interest for efficient and low-cost hydrogen production. This technology involves the development of photoelectrodes that can satisfy large-scale functions under certain operating conditions with good photocurrent and stability. In this work we propose the development of delafosite (CuFeO2) based photoelectrodes. Delafosite is an attractive material for the development of photoelectrodes due to its good chemical stability and excellent charge carrier mobility. However, its performance is limited because it exhibits limited photocurrent; as it presents charge recombination processes that occur at the interface between the electrode and the electrolyte. For this reason, it is attractive the development and addition of elements to improve the photoelectric properties of delafosite to promote its possible application as a photoelectrode. In this work, it is possible to establish a fabrication method by pyrolysis spray at 30 passes with a precursor concentration of 0.2 M iron and 0.8 M copper, in a solvent of 69.5 % deionized water, 29.5 % ethanol and 1 % ethylene glycol, observing a decrease of defects on the surface as possible traps in the photocurrent drop. In addition, in the heat treatment setting an improvement was found due to the crystallographic organization caused by annealing in argon atmosphere. The metallic elements added as nickel, tin, cobalt and cerium at different atomic percentages (at %) achieved an improvement in the photoelectric properties and stability against the photoelectrode with delafosite. The best photocurrent obtained was 0.038 mA cm-2 at -0.203 V vs RHE, obtained with the delafosite-based material with cerium. This result compared to what is reported in the literature represents approximately 38 % of the value reported with other types of modifications in more controlled environments. Some methods such as photoelectrochemical impedance spectroscopy (PEIS) and intensity modulated photocurrent spectroscopy (IMPS) are used to measure the charge transfer efficiency of photoelectrodes, which could be used for the characterization of highly efficient large-scale systems. The performance and mechanism of action of delafosite as a photoelectrode is still under discussion by the different authors who have worked with this material. The present work is no exception to the results found in the characterization, however, it was not possible to obtain stable graphs for the calculation of the interfacial charge transfer efficiencies mainly due to the possible degradation of the photoelectrodes, the described surface recombination, creation of surface states and low currents.