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 . [1] [2] Es un dominio de investigación activo. 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 .
La fotoelectroquímica se ha estudiado intensamente en los años 1970-80 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 energía limpia . La fotosíntesis artificial , la división fotoelectroquímica del agua y las células solares regenerativas son de especial interés en este contexto. El efecto fotovoltaico fue descubierto por Alexandre Edmond Becquerel .
Heinz Gerischer , H. Tributsch, AJ. Nozik, AJ. Bard, A. Fujishima, K. Honda, PE. Laibinis, K. Rajeshwar, TJ Meyer, PV. Kamat, NS Lewis, R. Memming y John Bockris son investigadores que han contribuido mucho al campo de la fotoelectroquímica.
Los materiales semiconductores tienen bandas de energía prohibidas y generarán un par de electrones y huecos por cada fotón absorbido si la energía del fotón es mayor que la energía de la banda prohibida 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 utiliza inmediatamente para impulsar una reacción redox. Sin embargo, los pares electrón-hueco 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 aumentar el rendimiento de la conversión de la luz en energía química.
Cuando un semiconductor entra en contacto con un líquido ( especie redox ), para mantener el equilibrio electrostático, habrá una transferencia de carga entre el semiconductor y la fase líquida si el potencial redox formal de la especie redox se encuentra dentro de la brecha de banda del semiconductor. En el equilibrio termodinámico, el nivel de Fermi del semiconductor y el potencial redox formal de la especie redox están alineados en la interfaz entre el semiconductor y la especie redox. Esto introduce una curvatura de banda ascendente en un semiconductor de tipo n para la unión semiconductor/líquido de tipo n (Figura 1(a)) y una curvatura de banda descendente en un semiconductor de tipo p para una unión semiconductor/líquido de tipo p (Figura 1(b)). Esta característica de las uniones semiconductor/líquido es similar a una unión rectificadora 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, ya 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 de vuelta desde la superficie del metal en una unión semiconductor/metal. Por lo tanto, las uniones semiconductor/líquido también se pueden utilizar como dispositivos fotovoltaicos similares a los dispositivos de unión p–n de estado sólido . Tanto las uniones semiconductor/líquido de tipo n como las 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 se podría utilizar para convertir directamente la energía solar en energía química en virtud de la fotoelectrólisis en la unión semiconductor/líquido.
Los semiconductores se estudian habitualmente 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 (carbono vítreo, 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.
Para iluminar el electrodo de trabajo se suele utilizar una lámpara UV-VIS. La célula fotoelectroquímica suele estar hecha con una ventana de cuarzo porque no absorbe la luz. Se puede utilizar un monocromador para controlar la longitud de onda enviada al electrodo fotoelectroquímico.
C(diamante), Si, Ge, SiC , SiGe
BN, BP, BAs, AlN, AlP, AlAs, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs...
CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe , MoS2 , MoSe2 , MoTe2 , WS2 , WSe2
TiO2 , Fe2O3 , Cu2O
Azul de metileno ...
Muy recientemente se ha desarrollado un sistema fotoelectroquímico PEC basado en perovskita escalable como panel solar de hidrógeno con un área de >123 cm2. [3]
La fotoelectroquímica ha sido estudiada intensamente en el campo de la producción de hidrógeno a partir del agua y la energía solar. La división fotoelectroquímica del agua fue descubierta históricamente por Fujishima y Honda en 1972 sobre electrodos de TiO2 . Recientemente, muchos materiales han demostrado propiedades prometedoras para dividir el agua de manera eficiente, pero el TiO2 sigue siendo barato, abundante y estable frente a la fotocorrosión. El principal problema del TiO2 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 TiO2 . Actualmente, la sensibilización mediante puntos cuánticos es muy prometedora, pero se necesita más investigación para encontrar nuevos materiales capaces de absorber la luz de manera eficiente.
La fotosíntesis es el proceso natural que convierte el CO2 mediante 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 dichos compuestos. La reducción fotoelectroquímica del CO2 es muy estudiada debido a su impacto mundial. Muchos investigadores aspiran a encontrar nuevos semiconductores para desarrollar fotoánodos y fotocátodos estables y eficientes.
Las células solares sensibilizadas con colorante o DSSC utilizan TiO2 y colorantes para absorber la luz. Esta absorción induce la formación de pares electrón-hueco que se utilizan para oxidar y reducir el mismo par redox, normalmente I − /I 3 − . En consecuencia, se crea un potencial diferencial que induce una corriente.