Síntesis y evaluación foto-electroquímica de hetero-junciones tipo N (BiVO4; Bi2MoO6) - P(CuBi2O4; Cu2O) para su aplicación en la fotodisociación del agua y la reducción de CO2

Abstract

La presente investigación aborda la necesidad de desarrollar materiales semiconductores eficientes que mejoren el desempeño de sistemas fotoelectroquímicos utilizados en la conversión y almacenamiento de energía solar. Particularmente, se enfoca en mejorar tanto el fotoánodo, encargado de la oxidación del agua en procesos de water splitting, como el fotocátodo, responsable de la reducción de CO₂ hacia productos de valor agregado. Estos procesos son fundamentales para avanzar hacia tecnologías sostenibles que permitan la generación limpia de combustibles y compuestos químicos útiles. El estudio se realizó en dos partes. En la primera, se sintetizó la heteroestructura BiVO4/Bi2MoO6, utilizando la técnica de dip-coating en medio acuoso y como sustrato, se utilizó un vidrio recubierto con FTO (óxido de estaño dopado con flúor), los materiales sintetizados tuvieron un tratamiento térmico a 550 ºC para sus aplicaciones foto- electrocatalíticas. Las caracterizaciones realizadas para estos materiales fueron: estructurales (Difracción de rayos X), superficiales (Espectroscopía Raman y espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS)), morfológicas (Microscopía electrónica de barrido (SEM)), electroquímicas (voltametría cíclica y lineal, cronoamperometría, espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS)),termogravimétricas (termogravimetría (TGA) acoplado con calorimetría diferencial de barrido (DSC)) y fotocatalíticas (evaluación con diferentes longitudes de onda (nm) de las fuentes de luz y pH), llegando a corrientes máximas de 20 mA a pH 1 para la heteroestructura. En la segunda parte se realizó la síntesis de la heteroestructura CuBi2O4/ Cu2O, utilizando técnicas electroquímicas e hidrotermal (baño químico) y como sustrato, FTO, los materiales sintetizados tuvieron un tratamiento térmico a 600 ºC para sus aplicaciones foto- electrocatalíticas. Las caracterizaciones realizadas para estos materiales fueron: estructurales, superficiales, morfológicas, electroquímicas, ópticas (espectroscopía UV-Vis para determinación de reflectancia) y fotocatalíticas. Los principales productos en la reducción de CO2 fueron metanol (510 µ mol L-1) a pH 4.1 y acetato de metilo (12,8 µ mol L-1) a pH 5.65. La determinación de metanol se realizó utilizando un cromatógrafo gaseoso (GC) acoplado a un detector FID (Detector de Ionización de Flama), mientras que para la detección de acetato de metilo se utilizó la espectroscopía de masas (MS). Los resultados demuestran que la síntesis y diseño de heteroestructuras representa una estrategia que mejora la eficiencia de sistemas fotoelectroquímicos, contribuyendo así a la generación de energía limpia y la valorización del CO₂ en productos útiles para la industria.