Estudio de la actividad y estabilidad de fotoelectrodos basados en grafenos dopados para la producción de hidrógeno

Abstract

[ES] El objetivo del presente Trabajo Fin de Máster (TFM) es estudiar la eficiencia de fotoelectrodos preparados a base de grafeno dopado para la producción fotoelectroquímica de hidrógeno a partir de agua. Además, se ha estudiado la influencia del dopaje con átomos de oxígeno, nitrógeno y boro, así como la estabilidad de estos fotoelectrodos obtenidos por pirólisis de biopolímeros. El alcance de este TFM radica en la importancia de desarrollar fotoelectrodos fabricados a partir de la pirolisis de residuos de la biomasa para la obtención de hidrogeno como vector energético. Los fotoelectrodos basados en grafeno se obtienen por el método de la pirólisis de biopolímeros. Esta técnica, es muy innovadora y permite la formación en un solo paso de grafenos multicapa dopados. Estos se comportan como materiales semiconductores y fotocatalizadores. Para poder comprender el comportamiento de los fotoelectrodos basados en grafeno dopado se realiza la caracterización electroquímica y morfológica de los fotoelectrodos con diferente composición: grafeno conteniendo oxígeno, nitrógeno y oxígeno y boro y oxígeno. Gracias a esta caracterización se podrá determinar cuáles son las condiciones óptimas para la producción de hidrógeno y la estabilidad de cada fotocatalizador según las condiciones de operación. Este estudio permitirá maximizar la eficiencia del fotoánodo y su estabilidad en procesos fotoelectroquímicos de larga duración. Los resultados obtenidos indican que hay 2 factores que mejoran la eficiencia de los fotocatalizadores en el proceso de separación fotoelectroquímica del agua: el tipo de dopaje y el acondicionamiento de la superficie del fotoánodo para maximizar su estabilidad.

[EN] The aim of this Master Final Project is to study the efficiency of photoelectrodes based on doped graphene for photoelectrochemical production of hydrogen from water. In addition, the influence of doping with oxygen, nitrogen and boron atoms has been studied, as well as the stability of these photoelectrodes obtained by pyrolysis of biopolymers. The scope of this project lies in the importance of developing photoelectrodes manufactured from the pyrolysis of biomass residues to obtain hydrogen as an energy vector. The photoelectrodes based on graphene are obtained by the pyrolysis method of biopolymers. This technique is very innovative and allows the formation in a single step of doped multilayer graphene. These behave as semiconductor and photocatalyst materials. To understand the behavior of photoelectrodes based on doped graphene, the electrochemical and morphological characterization of photoelectrodes with different composition is carried out: graphene containing oxygen, nitrogen and oxygen and boron and oxygen. Thanks to this characterization it will be possible to determine which are the optimal conditions to produce hydrogen and the stability of each photocatalyst according to the operating conditions. This study will maximize the efficiency of the photo-anode and its stability in long-term photoelectrochemical processes. The results obtained indicate that there are 2 factors that improve the efficiency of photocatalysts in the process of photoelectrochemical separation of water: the type of doping and the conditioning of the surface of the photo-anode to maximize its stability.

[CA] L’objectiu del present Treball de Fi de Màster (TFM) és estudiar l’eficiència de fotoelectrodes preparats a base de grafè dopatge per a la producció fotoelectroquímica d’hidrògen a partir d’aigua. A més, s’ha estudiat l’influència del dopat amb àtoms d’oxígen, nitrògen i bor, així com l’estabilitat d’aquestos fotoelectrodes obtinguts per piròlisi de biopolímers. L’abast d’aquest TFM radica en la importància de desenvolupar fotoelectrodes fabricats a partir de la piròlisi de residus de la biomasa per obtindre d’hidrògen com vector energètic. Els fotoelectrodes basats en grafé s’obtenen pel mètode de la piròlisi de biopolimers. Aquesta tècnica es molt innovadora i permet la formació d’un sol pas de grafè multicapa dopats. Aquests es comporten com a materials semiconductors i fotocatalitzadors. Per poder comprendre el comportament dels fotoelectrodes basats en grafé dopat es realitza la caracterització electroquímica i morfològica dels fotoelectrodes amb diferent composició: grafé contenint oxígen, nitrògen i oxígen i bor i oxígen. Gràcies a aquesta caracterització es podrà determinar quines són les condicions òptimes per a la producció d’hidrògen i l’estabilitat de cada fotocatalitzador segons les condicions d’operació. Aquest estudi permetrà maximitzar l’eficiència del fotoànode i la seua estabilitat en processos de larga duració. ELs resultats obtinguts indiquen que hi ha dos factors que milloren l’eficiència dels fotocatalitzadors en el procés de separació fotoelectroquímica de l’aigua: el tipus de dopatge i l’acondicionament de la superficie del fotoànode per a maximitzar la seua estabilitat.