Viabilidad de una heterounión CdS/TiO₂ para la producción de hidrógeno mediante fotocatálisis

Abstract

La división de las moléculas de agua mediante fotocatálisis heterogénea permite producir hidrógeno verde. Este proceso fotocatalítico se basa en utilizar la energía de la luz para excitar los electrones de un material semiconductor (fotocatalizador), tras lo cual se genera el par electrón-hueco pudiéndose desencadenar reacciones de oxidación-reducción que permiten la generación de hidrógeno. Para ello es necesario contar con materiales fotocatalíticos que sean capaces de excitarse al recibir luz procedente de una fuente de energía. La naturaleza química de cada compuesto empleado como fotocatalizador, provoca que se pueda utilizar un tipo de luz u otra. Los catalizadores que se activan con luz visible son los más buscados debido a que se puede utilizar la energía solar como fuente renovable. Además, resulta necesario seleccionar materiales que se encuentren en abundancia en el planeta y que no generen contaminación ni daños al medio ambiente ni a la salud de las personas para garantizar llevar a cabo un proceso limpio y sostenible. En este sentido muchos estudios se han enfocado en la síntesis de materiales a partir de TiO2 ya que, aunque no puede activarse con luz visible, el dopaje con metales y no metales, asícomo heterouniones con otros compuestos binarios y óxidos de metales puede solucionar este problema. El aumento del rendimiento del proceso puede llevarse a cabo mediante la adicción de un agente de sacrifico que es una sustancia que evita la fotocorrosión del catalizador, asícomo la recombinación de los pares electrón-hueco. La elección del agente de sacrificio depende de su afinidad con el fotocatalizador de factores entre los que destacan la posición relativa de las bandas de valencia y conducción. Teniendo en cuenta esto, compuestos como el Na2S/Na2SO3 y metanol han sido utilizadas por sus prometedores resultados. Por otro lado, muchos procesos de producción de hidrogeno mediante fotocatálisis se han llevado a cabo utilizando agua con una mínima concentración de sales, lo que requiere un proceso previo de desmineralización del agua que se traduce en un aumento de los costes y recursos, por tanto, en este caso, se propone aprovechar el agua de mar natural. De esta forma, por un lado, se estaría evitando utilizar agua dulce, recurso cada vez más escaso en el plantea y por otro, disminuirían los costes del proceso ya que no se requieren de grandes tratamientos previos, contribuyendo de esta forma a llevar a cabo un proceso más limpio, basado en la utilización de fuentes y recursos renovables. Debido a la imposibilidad de emplear TiO2 como fotocatalizador usando luz visible, en este trabajo se propone desarrollar un composite CdS/TiO2 capaz de excitarse bajo un espectro de luz más amplio y obtener mayores rendimientos en la producción de hidrógeno a partir de agua de mar. Se ha observado que los mejores resultados se obtienen al utilizar el catalizador en presencia de Na2S/Na2SO3 como agente de sacrificio con una tasa de producción de 120 μmol H2/gcat h cuando se trabaja con luz UV y 77 μmol H2/gcat h con luz visible. Esta diferencia de producción se debe a que con luz UV se excitan los dos semiconductores que conforman la heterounion, ocurriendo un movimiento de electrones que sigue el esquema Z. Este trabajo permite además contribuir al cumplimiento de los Objetivos de Desarrollo Sostenible establecidos por la Organización de las Naciones Unidas.

The splitting of water molecules by heterogeneous photocatalysis can produce green hydrogen. This photocatalytic process is based on using light energy to excite the electrons of a semiconductor material (photocatalyst), after which the electron-hole pair is generated and oxidation-reduction reactions can be triggered to generate hydrogen. This requires photocatalytic materials that are capable of being excited by light. The chemical nature of each compound used as a photocatalyst means that one type of light or another can be used. Catalysts that are activated by visible light are the most sought because solar energy can be used as a renewable source. In addition, it is necessary to select materials that are found in abundance on the planet and those which not generate pollution or harm the environment or human health in order to guarantee a clean and sustainable process. In this sense, many studies have focused on the synthesis of materials based on TiO2 since, although it cannot be activated by visible light, doping with metals and non-metals, as well as heterojunctions with other binary compounds and metal oxides can solve this drawback. Increasing the yield of the process can be done by adding a sacrificial agent, which is a substance that prevents photocorrosion of the catalyst as well as recombination of the electron-hole pairs. The choice of sacrificial agent depends on its affinity with the photocatalyst and on factors including the relative position of the valence and conduction bands. With this in mind, compounds such as Na2S/Na2SO3 and methanol have been used based on previous literature. On the other hand, many hydrogen production processes by photocatalysis have been carried out using water with a minimum concentration of salts, which requires a previous process of water demineralisation that results in an increase in costs and resources, therefore, in this case, it is proposed to take advantage of natural seawater. Therefore, on the one hand, the use of fresh water would be avoided, a resource that is becoming increasingly scarce in the world, and on the other hand, the costs of the process would be reduced, as no major pre-treatment is required, thus contributing to a cleaner process based on the use of renewable resources. Due to the impossibility of using TiO2 as a photocatalyst using visible light, in this work it is proposed to develop a CdS/TiO2 composite capable of being excited under a broader spectrum of light in order to obtain higher yields in the production of hydrogen from seawater using solar light. It has been observed that the best results are obtained when using the catalyst in the presence of Na2S/Na2SO3 as sacrificial agent with a production rate of 120 μmol H2/gcat h when working with UV light and 77 μmol H2/gcat h with visible light. This difference in production is because UV light excites the two semiconductors that form the heterojunction, resulting in an electron movement that follows the Z-scheme. This work also makes it possible to contribute to the Sustainable Development Goals established by the United Nations.