Fotoelectroquímica - Photoelectrochemistry

La fotoelectroquímica es un subcampo de estudio dentro de la química física que se ocupa de la interacción de la luz con los sistemas electroquímicos . Es un dominio activo de investigación. Uno de los pioneros de este campo de la electroquímica fue el electroquímico alemán Heinz Gerischer . El interés en este dominio es alto en el contexto del desarrollo de la tecnología de conversión y almacenamiento de energía renovable.

Enfoque histórico

La fotoelectroquímica se estudió intensamente en los años 70-80 debido a la primera crisis del pico del petróleo. Debido a que los combustibles fósiles no son renovables, es necesario desarrollar procesos para obtener recursos renovables y utilizar energías limpias. La fotosíntesis artificial, la división fotoelectroquímica del agua y las células solares regenerativas son de especial interés en este contexto. Descubierto por Alexander Edmund Becquerel.

H. Gerischer, H. Tributsch, AJ. Nozik, AJ. Bard, A. Fujishima, K. Honda, PE. Laibinis, K. Rajeshwar, TJ Meyer, PV. Kamat, NS Lewis, R. Memming, JOM. Bockris son investigadores que han contribuido mucho al campo de la fotoelectroquímica.

Electroquímica de semiconductores

Introducción

Los materiales semiconductores tienen intervalos de banda de energía y generarán un par de electrones y un agujero por cada fotón absorbido si la energía del fotón es mayor que la energía de intervalo de banda del semiconductor. Esta propiedad de los materiales semiconductores se ha utilizado con éxito para convertir la energía solar en energía eléctrica mediante dispositivos fotovoltaicos .

En la fotocatálisis, el par electrón-hueco se usa inmediatamente para impulsar una reacción redox. Sin embargo, los pares de electrones y huecos sufren una rápida recombinación. En la fotoelectrocatálisis, se aplica un potencial diferencial para disminuir el número de recombinaciones entre los electrones y los huecos. Esto permite un aumento en el rendimiento de la conversión de la luz en energía química.

Interfaz semiconductor-electrolito

Cuando un semiconductor entra en contacto con un líquido ( especies redox ), para mantener el equilibrio electrostático, habrá una transferencia de carga entre el semiconductor y la fase líquida si el potencial redox formal de las especies redox se encuentra dentro de la banda prohibida del semiconductor. En el equilibrio termodinámico, el nivel de Fermi del semiconductor y el potencial redox formal de las especies redox se alinean en la interfaz entre las especies semiconductoras y redox. Esto introduce una flexión de banda hacia arriba en un semiconductor de tipo n para semiconductor de tipo n / unión de líquido (Figura 1 (a)) y una flexión de banda hacia abajo en un semiconductor de tipo p para un semiconductor de tipo p / unión de líquido (Figura 1 (B)). Esta característica de las uniones semiconductor / líquido es similar a una unión rectificadora de semiconductor / metal o unión Schottky . Idealmente, para obtener buenas características de rectificación en la interfaz semiconductor / líquido, el potencial redox formal debe estar cerca de la banda de valencia del semiconductor para un semiconductor de tipo n y cerca de la banda de conducción del semiconductor para un semiconductor de tipo p. La unión semiconductor / líquido tiene una ventaja sobre la unión rectificadora semiconductor / metal en que la luz puede viajar a través de la superficie del semiconductor sin mucha reflexión; mientras que la mayor parte de la luz se refleja desde la superficie del metal en una unión semiconductor / metal. Por lo tanto, las uniones semiconductoras / líquidas también se pueden utilizar como dispositivos fotovoltaicos similares a los dispositivos de unión p – n de estado sólido . Las uniones semiconductoras / líquidas de tipo ny de tipo p se pueden utilizar como dispositivos fotovoltaicos para convertir la energía solar en energía eléctrica y se denominan células fotoelectroquímicas . Además, una unión semiconductor / líquido también podría usarse para convertir directamente la energía solar en energía química en virtud de la fotoelectrólisis en la unión semiconductor / líquido.

  • Figura 1 (a) diagrama de bandas de semiconductor de tipo n / unión líquida

  • Figura 1 (b) diagrama de bandas de semiconductor tipo p / unión líquida

Configuración experimental

Los semiconductores generalmente se estudian en una celda fotoelectroquímica . Existen diferentes configuraciones con un dispositivo de tres electrodos. El fenómeno a estudiar ocurre en el electrodo de trabajo WE mientras se aplica el potencial diferencial entre el WE y un electrodo de referencia RE (calomelanos saturados, Ag / AgCl). La corriente se mide entre el WE y el contraelectrodo CE (vítreo de carbono, gasa de platino). El electrodo de trabajo es el material semiconductor y el electrolito está compuesto por un disolvente, un electrolito y una especie redox.

Normalmente se utiliza una lámpara UV-vis para iluminar el electrodo de trabajo. La celda fotoelectroquímica generalmente se fabrica con una ventana de cuarzo porque no absorbe la luz. Se puede utilizar un monocromador para controlar la longitud de onda enviada al WE.

Principales absorbentes utilizados en fotoelectroquímica.

Semiconductor IV

C (diamante), Si, Ge, SiC, SiGe

Semiconductor III-V

BN, BP, BAs, AlN, AlP, AlAs, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs ...

Semiconductor II-VI

CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , WSe 2

Óxidos metálicos

TiO 2 , Fe 2 O 3 , Cu 2 O

Colorantes orgánicos

Azul de metileno...

Colorantes organometálicos

Perovskitas

Aplicaciones

División fotoelectroquímica del agua

La fotoelectroquímica se ha estudiado intensamente en el campo de la producción de hidrógeno a partir del agua y la energía solar. La división fotoelectroquímica del agua fue históricamente descubierta por Fujishima y Honda en 1972 en electrodos de TiO 2 . Recientemente, muchos materiales han mostrado propiedades prometedoras para dividir el agua de manera eficiente, pero el TiO 2 sigue siendo barato, abundante y estable frente a la fotocorrosión. El principal problema del TiO 2 es su banda prohibida que es de 3 o 3,2 eV según su cristalinidad (anatasa o rutilo). Estos valores son demasiado altos y solo se puede absorber la longitud de onda en la región UV. Para aumentar las prestaciones de este material para dividir el agua con la longitud de onda solar, es necesario sensibilizar el TiO 2 . Actualmente, la sensibilización de Quantum Dots es muy prometedora, pero se necesita más investigación para encontrar nuevos materiales capaces de absorber la luz de manera eficiente.

Fotosíntesis artificial

La fotosíntesis es el proceso natural que convierte el CO 2 utilizando la luz para producir compuestos de hidrocarburos como el azúcar. El agotamiento de los combustibles fósiles anima a los científicos a encontrar alternativas para producir compuestos de hidrocarburos. La fotosíntesis artificial es un método prometedor que imita la fotosíntesis natural para producir tales compuestos. La reducción fotoelectroquímica de CO2 está muy estudiada debido a su impacto mundial. Muchos investigadores tienen como objetivo encontrar nuevos semiconductores para desarrollar foto-ánodos y foto-cátodos estables y eficientes.

Células regenerativas o célula solar sensibilizada con colorante (célula de Graetzel)

Las células solares sensibilizadas por colorante o DSSC utilizan TiO 2 y colorantes para absorber la luz. Esta absorción induce la formación de pares de electrones y huecos que se utilizan para oxidar y reducir el mismo par redox, generalmente I - / I 3 - . En consecuencia, se crea un potencial diferencial que induce una corriente.

Referencias

enlaces externos