Tesis Magíster
Producción de hidrógeno por fotoelectrólisis del agua utilizando un fotocatalizador basado en membranas de alumina porosa
Autor
Hevia, Samuel
Pontificia Universidad Católica de Chile
Institución
Resumen
La producción de hidrógeno a partir del proceso de fotoelectrólisis del agua utilizando luz solar, es uno de los desafíos más importantes para los investigadores en el área de producción de energía en estos días. La obtención de hidrógeno por medio de una celdafotoelectroquímica (PEC) requiere de fotocatalizadores que satisfagan, simultáneamente, requerimientos como la absorción eficiente de luz solar, promover un rápido transporte de lascargas foto -generadas y además, poder llevar a cabo la reacción de descomposición del agua sin degradarse o volverse inerte en solución acuosa. No existe aún un material que por sí solo,cumpla todos esos requerimientos. Sin embargo, el dióxido de titanio (TiO2) es uno de los materiales que mejor se aproxima. La única desventaja es que posee un valor de banda prohibida (Eg) que sólo permite que pueda aprovechar la región UV del espectro de luz solar.El desafío está en fabricar nuevos materiales compuestos, que realicen las distintas funciones requeridas. Recientemente, se ha encontrado que una manera exitosa para mejorar laeficiencia del proceso es mediante el uso de semiconductores dopados, con el fin de mejorar la absorción en el espectro de luz visible, y a través del uso de fotocatalizadores nanoestructurados, manteniendo el TiO2 como material fotoactivo.En esta tesis, se realizó un estudio de las posibilidades que ofrece un sistema de multicapas de nanotubos de carbono (CNT) y dióxido de titanio (TiO2) fabricado utilizando membranas de alúmina porosa, como fotocatalizador para la generación de hidrógeno en unacelda fotoelectroquímica.Utilizando la técnica de Deposición Química de fase Vapor (CVD) se logró fabricar una serie de fotocatalizadores de un sistema híbrido CNT@TiO2 en el interior de membranas de alúmina porosa. Los cuales fueron caracterizados mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), Espectroscopía Raman y Difracción de Rayos X (XRD).Se implementó un sistema para evaluar la actividad fotocatalítica del materialfabricado, utilizando una celda fotoelectroquímica de 3 electrodos. A través de mediciones de la corriente generada en la celda en condiciones de iluminación (fotocorriente ), comprobamosque el sistema propuesto funciona como fotocatalizador de la reacción de fotoelectrólisis. Se encontró un incremento en la respuesta fotocatalítica en los sistemas de CNT@TiO2 quetenían una mayor presencia de la fase cristalina anatasa del TiO2, detectada a través del análisis de Espectroscopía Raman. Al comparar con un sistema en que la membrana de alúmina sólo tenía un depósito del material fotoactivo TiO2, no se observó fotocorriente. De esta forma, se encontró que el nanotubo de carbono es fundamental para el funcionamientodel sistema fabricado, permitiendo el transporte de los portadores de carga foto-generados hacia el substrato.Finalmente, se obtuvo una estimación de la eficiencia de fotoconversión del sistema implementado para la producción de hidrógeno a través de una celda fotoelectroquímica. Se encontró un valor de eficiencia máxima de 0,9%, el cual se asemeja a valores encontrados enla literatura para un sistema similar de nanotubos de dióxido de titanio dopados con carbono, desarrollado por Park et al.