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 activo de investigación. Uno de los pioneros de este campo de la electroquímica fue el electroquímico alemán Heinz Gerischer . El interés en este ámbito es alto en el contexto del desarrollo de la tecnología de conversión y almacenamiento de energía renovable .
La fotoelectroquímica se estudió intensamente en los años 1970 y 1980 debido a la primera crisis del petróleo . Debido a que los combustibles fósiles no son renovables, es necesario desarrollar procesos para obtener recursos renovables y utilizar energía limpia . En este contexto son de especial interés la fotosíntesis artificial , la división fotoelectroquímica del agua y las células solares regenerativas. El efecto fotovoltaico fue descubierto por Alexandre Edmond Becquerel .
Heinz Gerischer , H. Tributsch, AJ. Nozik, AJ. Bardo, 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 prohibidas de energía y generarán un par de electrones y un hueco 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 un aumento en el rendimiento de la conversión de la luz en energía química.
Cuando un semiconductor entra en contacto con un líquido ( especies redox ), para mantener el equilibrio electrostático, habrá una transferencia de carga entre el semiconductor y la fase líquida si el potencial redox formal de las especies redox se encuentra dentro de la banda prohibida del semiconductor. En el equilibrio termodinámico, el nivel de Fermi del semiconductor y el potencial redox formal de las especies redox están alineados en la interfaz entre el semiconductor y las especies redox. Esto introduce una banda curvada hacia arriba en un semiconductor tipo n para una unión líquida/semiconductor tipo n (Figura 1(a)) y una banda curvada hacia abajo en un semiconductor tipo p para una unión semiconductor/líquido tipo p (Figura 1 (b)). Esta característica de las uniones semiconductor/líquido es similar a una unión rectificadora de 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 tipo n y cerca de la banda de conducción del semiconductor para un semiconductor tipo p. La unión semiconductor/líquido tiene una ventaja sobre la unión semiconductor/metal rectificadora en 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 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 semiconductoras/líquidas de tipo n como de tipo p se pueden utilizar como dispositivos fotovoltaicos para convertir la energía solar en energía eléctrica y se denominan células fotoelectroquímicas . Además, también podría usarse una unión semiconductor/líquido para convertir directamente la energía solar en energía química en virtud de la fotoelectrólisis en la unión semiconductor/líquido.
Los semiconductores suelen estudiarse 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 WE y el contraelectrodo CE (vítreo de carbono, 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.
Generalmente se utiliza una lámpara UV-vis para iluminar el electrodo de trabajo. La celda fotoelectroquímica suele estar fabricada con una ventana de cuarzo porque no absorbe la luz. Se puede utilizar un monocromador para controlar la longitud de onda enviada al WE.
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, MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , WSe 2
TiO2 , Fe2O3 , Cu2O
Azul de metileno ...
Muy recientemente se ha desarrollado un sistema fotoelectroquímico PEC escalable totalmente basado en perovskita como panel solar de hidrógeno con un área de >123 cm2. [3]
La fotoelectroquímica se ha estudiado intensamente en el campo de la producción de hidrógeno a partir de agua y energía solar. La división fotoelectroquímica del agua fue descubierta históricamente por Fujishima y Honda en 1972 en electrodos de TiO 2 . Recientemente, muchos materiales han mostrado propiedades prometedoras para dividir eficazmente el agua, pero el TiO 2 sigue siendo barato, abundante y estable frente a la fotocorrosión. El principal problema del TiO 2 es su banda prohibida que es de 3 o 3,2 eV según su cristalinidad (anatasa o rutilo). Estos valores son demasiado altos y sólo se puede absorber la longitud de onda en la región UV. Para aumentar las prestaciones de este material para desdoblar el agua con la longitud de onda solar, es necesario sensibilizar el TiO 2 . Actualmente, la sensibilización con Quantum Dots 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 CO 2 mediante la luz para producir compuestos de hidrocarburos como el azúcar. El agotamiento de los combustibles fósiles anima a los científicos a buscar 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 CO 2 ha sido muy estudiada debido a su impacto mundial. Muchos investigadores pretenden encontrar nuevos semiconductores para desarrollar fotoánodos y fotocátodos estables y eficientes.
Las células solares sensibilizadas por tinte o DSSC utilizan TiO 2 y tintes para absorber la luz. Esta absorción induce la formación de pares electrón-hueco que se utilizan para oxidar y reducir el mismo par redox, generalmente I − /I 3 − . En consecuencia, se crea un potencial diferencial que induce una corriente.