Energía limpia y renovable. Fotoelectrólisis del Agua
Debido a los grandes daños ambientales ocasionados por los combustibles fósiles se hace imperiosa la necesidad de nuevas energías limpias y renovables, es por eso que en las últimas décadas científicos alrededor del mundo se han avocado a investigar nuevas alternativas para la conversión de energía solar a eléctrica, surgiendo la fotoelectrólisis del agua como una buena opción para producir hidrógeno a partir de agua, ya que el hidrógeno presenta grandes ventajas frente a otras alternativas que se estudian para la sustitución de las energías dura, entra las ventajas destacan las siguiente; el hidrógeno se se puede obtener por descomposición del agua que es abundante y asequible, no influye en el medio ambiente y sólo genera de nuevo agua cuando cede la energía almacenada. O sea, es limpio y renovable, es adecuado para el uso doméstico e industrial y se transporta y almacena con pocas pérdidas.
La liberación de oxígeno en electrodos semiconductores fue observada por primera vez en 1968 pero no fue hasta 1971 cuando Fujishima y Honda, sugirieron que este efecto podría usar la luz para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno, usando como fotoánodo de TiO2 y Pt como electrodo secundario para reducción de protones; el diseño más sencillo de la celda electroquímica para la fotoelectrólisis del agua consta de dos electrodos sumergido en un electrolito acuoso conectado eléctricamente, donde uno de los electrodos es un metal y el otro es un semiconductor, dependiendo del tipo de conductividad del semiconductor podríamos tener producción de oxígeno o hidrógeno (oxígeno es liberado si el semiconductor es tipo-n, hidrógeno si es tipo-p).
Las propiedades más importantes a ser consideradas en el semiconductor son la energía de banda prohibida Eg y el potencial de banda plana Uf. Para que ocurra el proceso de la ruptura del agua el semiconductor debe absorbe fotones más energéticos que la energía de banda prohibida y crea pares de electrón-hueco (ecu. 1). Estos portadores de carga se separar antes de la recombinación por efecto del campo eléctrico en la interfaz semiconductor-electrolito.
Para que ocurra la electrólisis del agua se deben de tomar en cuenta los siguientes criterios; el potencial correspondiente al espacio de banda debe exceder apreciablemente el potencial estándar para la electrólisis del agua que es de 1.23 eV. Además, el potencial de banda plana debe ser más negativo que el potencial de hidrógeno (ecu. 2). La transferencia de carga en la superficie del semiconductor debe ser lo suficientemente rápido para evitar la fotocorrosión y el desplazamiento de los bordes de bandas que resulta en la pérdida de fotones de energía.
De esta manera se producen las siguientes reacciones.
Reacción total
Mucho materiales semiconductores se han estudiado hasta la actualidad en la fotoelectrólisis del agua, sin embargo el que se lleva el premio del más estudiado ha sido el TiO2 en sus diferentes estructuras cristalinas, gracias a su gran estabilidad, este oxido semiconductor presenta un brecha aproximada de 3 eV y posiciones relativas de los bordes de banda adecuados para la ruptura del agua, sin embargo el alto valor de su brecha energética provoca que absorban una fracción pequeña del espectro solar, mientras que otro materiales presentan brecha de energías apropiadas que le permiten absorber gran parte del espectro solar, pero la posiciones relativa de su bordes de banda de conducción y valencia nos son adecuados para lograr la descomposición del agua (los potenciales para las reacciones de generación de hidrógeno y generación de oxígeno son 50 mV y 275 mV, respectivamente) figura 1.
En actualidad el reto es encontrar un material que tenga un valor de brecha energética superior a 1.8 eV, ya que tenemos que considerar que la energía libre almacenada en los productos es de 1.23 eV y la perdidas óhmicas asociadas al sistema electroquímico, y adicionalmente los niveles de Fermi correspondientes a los dos pares redox de las semi-reacciones de descomposición del agua deben estar comprendidos entre los valores de energía de las bandas de valencia y conducción del semiconductor en la interfaz. O sea, el de la semi-ecuación de oxidación por encima de la energía de la banda de valencia y el de la semi-ecuación de reducción por debajo del borde de la banda de conducción, de cumplirse esta ultima condición se podría realizar la fotoelectrólisis del agua no asistida, cuando esta última no se cumple se tiene que aplicar un potencial externo al sistema (fotoelectrólisis asistida).
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