Generación de hidrógeno en celdas fotoelectroquímicas basadas en anatasa mesoporosa

Abstract

A low-cost, clear acrylic cell for photoelectrochemical characterization of photoanodes was designed. The design allowed the use of the photoanode itself as a cell’s wall, reducing the incident energy loses by dispersion due to scratches on the cell surface. Adittionally, a flow coating device was designed and built to produce photoanodes from aqueous oxide pastes. The device has the ability to coat substrates of variable thickness, at different coating speed and angle. Nanocrystalline, pure, and Fe and Si doped TiO2, on the anatase phase was synthetized through a sol-gel method. To obtain the pastes, polyethylenglycol was added to the colloid at weigth concentrations of 20%, 30%, and 40%. The effect of the present dopant and the polymer concentration on the morphological, optical, electronic and photoelectrochemical properties was studied by X ray diffraction (XRD), uv-vis spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), lineal sweep voltammetry (LSV) and chronoamperometry (CAmp). Pure TiO2 photoanodes from pastes with 20, 30, and 40 wt% PEG were fabricated; the doped samples could form photoanodes only at PEG concentrations of 30 and 40 wt%. The codoped oxide was successfully coated on the substrate only from pastes with 40 wt% PEG without visible film cracking. It is proposed that the presence of the dopant and/or the reaction products of the dopant precursors modifies the physicochemical properties of the pastes. The photoanodes fabricated from Fe and Si-doped TiO2 pastes with 30 wt% PEG showed the best impedance values, as well as the donor density, photocurrent density, H2 evolution rate and Solar to Hydrogen (STH) efficiency. The increase in the PEG concentration showed to be prejudicial to the photoelectrochemical properties of the photoanodes.

Se diseñó y desarrolló una celda para pruebas fotoelectroquímicas de bajo costo fabricada en acrílico transparente. El diseño permite utilizar el mismo fotoánodo como pared de la celda, eliminando la pérdida de energía lumínica incidente por dispersión debida a rayones en la superficie. Adicionalmente, se construyó un equipo de recubrimiento por flujo para fabricar fotoánodos a partir de pastas de óxidos. El equipo permite realizar recubrimientos de espesor, velocidad de deposición y ángulo de rasero variables. Se sintetizó por el método sol-gel TiO2 nanocristalino, en la fase anatasa, puro, dopado con Fe y Si, y codopado. Para obtener las pastas, se adicionó polietilenglicol (PEG) en porcentajes de 20, 30 y 40% en peso. Se estudió el efecto del dopante y el porcentaje del polímero en las propiedades morfológias, ópticas, electrónicas y fotoelectroquímicas., mediante difracción de rayos X (DRX), espectroscopia UV-vis, microscopia electrónica de barrido (MEB), espectroscopia de impedancia electroquímica (EIE), voltametría de barrido lineal (VBL) y cronoamperometría (CAmp). Se fabricaron fotoánodos de TiO2 puro con pastas con 20, 30 y 40% de PEG; en las muestras dopadas sólo pudieron formarse con pastas con 30 y 40% de polímero. En la muestra codopada, únicamente la pasta con 40% de PEG pudo formar películas sin desprendimiento. Se propone que la presencia del dopante y/o los productos de reacción de los precursores del mismo modifique las propiedades fisicoquímicas del coloide. Los fotoánodos de pasta de TiO2 dopado con Fe, con 30% de PEG, seguidos por aquellos de pasta al 30% de PEG de TiO2 dopado con Si, mostraron las mejores propiedades de impedancia, densidad de donadores, densidad de fotocorriente, velocidad de producción de hidrógeno y eficiencia STH (Solar to Hydrogen, por sus siglas en inglés). El incremento en el porcentaje de PEG resultó perjudicial para las propiedades fotoelectroquímicas de los fotoánodos