Fabricación de electrodos fotoactivos para la escisión de la molécula de agua a partir de tintas basadas en nanocelulosa

Abstract

La fotocatálisis se suele considerar como una de las posibles alternativas para la producción de hidrógeno verde por escisión de la molécula de agua. En este sentido, además de solventar los problemas de eficiencia en la conversión solar a hidrógeno, es necesario fabricar fotocatalizadores con elementos abundantes y mediante procesos sostenibles, que permitan un escalado de los mismos. En esta comunicación, se presenta la preparación de fotoánodos basados en nanopartículas de TiO2 mediante aerografía, utilizando una tinta que únicamente lleva agua como disolvente y celulosa nanocristalina (NCC) como agente estabilizante. En primera instancia, el TiO2 se depositó sobre óxido de estaño fluorado (FTO), siendo este uno de los sustratos más ampliamente estudiados en aplicaciones solares. Sin embargo, y debido a las dificultades que surgen a la hora de sintetizar dicho compuesto, se propone aquí su sustitución por películas de nanotubos de carbono de capa única (SWCNT) depositadas sobre vidrio. Estas películas de carbono presentan una excelente conductividad superficial, estando además basadas en tintas acuosas estabilizadas con NCC, lo cual hace posible su procesado mediante la técnica de espray.

[Parte experimental] Las nanopartículas de TiO2 se sintetizaron por un método sol-gel a partir de isopropóxido de titanio [1]. Los SWCNT se compraron a Carbon Solutions Inc., USA (calidad P2-SWNT). La NCC se sintetizó a partir de celulosa microcristalina comercial (Sigma-Aldrich, Ref. 310697) siguiendo un procedimiento recientemente publicado [2]. Los SWCNT se dispersaron en una suspensión acuosa de NCC mediante un protocolo que incluye tratamientos de ultrasonidos y centrifugación. Asimismo, el TiO2 se dispersó en una suspensión de NCC en agua aplicando ultrasonidos. Las tintas de TiO2 y SWCNT se utilizaron para fabricar electrodos fotoactivos mediante pintado por espray automático con una máquina provista de un cabezal de ultrasonidos (Nadetech). Los electrodos constituidos por FTO fueron tratados a 450ºC en aire durante 120 minutos, mientras que aquellos compuestos por películas de SWCNTs se sometieron a la misma temperatura, pero sólo durante 30 minutos. La actividad fotocatalítica de los electrodos frente a la oxidación de agua se evaluó en una celda de 3 electrodos, usando Ag/AgCl como electrodo de referencia, una barra de grafito como contraelectrodo y Na2SO4 0,1M como electrolito. La fotocorriente se midió mediante voltametría cíclica y en experimento potenciostático. Se iluminó con un simulador solar de laboratorio (lámpara de xenón de 150W de LOT-Oriel GmbH) [3, 4].

[Resultados] Los electrodos de TiO2 (NCC)/FTO muestran actividad fotocatalítica en oxidación de agua, tanto en las medidas por voltametría cíclica bajo iluminación, como en los experimentos a potencial constante. En este último caso, dependiendo del espesor de la capa de TiO2, la fotocorriente puede decaer sustancialmente en los 2 primeros minutos de medida, para mantenerse relativamente estable hacia el minuto 5 (aproximadamente 100 μA·cm-2). El electrodo de TiO2 (NCC)/SWCNT(NCC) también presentó actividad fotocatalítica, siendo de menor intensidad (del orden de 10 μA·cm-2) que en el caso del TiO2 (NCC)/FTO. Con todo, el hecho de que se haya observado dicha actividad abre una vía para la optimización de este tipo de fotoelectrodos, que sólo contendrían elementos abundantes no críticos. Además, se utilizan métodos de procesado más sostenibles y respetuosos con el medio ambiente, que pueden basarse en el uso de agua como único disolvente y de técnicas de recubrimiento ventajosas y escalables como la aerografía.