Resumen de Trisulfuros metálicos bidimensionales para generación y acumulación de hidrógeno
El actual modelo energético está basado principalmente en el consumo de energía procedente de fuentes no renovables y la energía proveniente de nuevas fuentes renovables todavía no consigue tener un impacto significativo en el consumo global. Esto supone tres grandes problemas inmediatos y futuros interrelacionados entre sí: el primero es el agotamiento de las fuentes no renovables, lo que podría llevar a una situación de escasez energética a medio y largo plazo. Segundo: los problemas sociopolíticos y económicos derivados de la exigüidad de los recursos energéticos no renovables, tales como el aumento de sus precios (creando burbujas económicas), las tensiones políticas-económicas entre países productores y consumidores de dichos recursos energéticos, que en algunos casos han desencadenado en conflictos bélicos. Por último, un problema no menos importante es el impacto medioambiental del consumo predominante de combustibles fósiles, ya que las emisiones de los gases residuales producto de este consumo desmesurado tienen un gran impacto en el entorno y dan lugar a problemas globales tales como el llamado cambio climático. Lo anterior resulta ser poco alentador e invita a cambiar el actual modelo energético. Una alternativa para alcanzar este cambio podría ser el uso de fuentes renovables de energía consiguiendo con esto, dar paso a un modelo energético verdaderamente sostenible y respetuoso con el entorno.
El creciente interés (político y social) sobre los problemas medioambientales podría dar un impulso definitivo al desarrollo de las energías renovables para, de esta manera, conseguir el mencionado cambio de modelo energético. Para que verdaderamente esto ocurra, habría que ser capaces de satisfacer todas las demandas energéticas de los sectores primarios, secundarios y terciarios de un país. Entre las distintas fuentes de energía renovable, la energía solar (en todas sus formas) sobresale por ser capaz de satisfacer toda la demanda energética mundial. Las tecnologías de aprovechamiento más desarrolladas de esta fuente de energía se enfocan principalmente en la generación eléctrica dejando menos desarrollado el aspecto de acumulación de la energía, que es un factor muy importante a tener en cuenta si se pretende basar el modelo energético en el uso de la energía solar, debido a que es un recurso de aprovechamiento intermitente (día vs noche).
Una de las formas más atractivas de almacenar la energía solar es en forma de combustibles (“combustibles solares”), siendo el hidrógeno una opción interesante para este fin. El hidrógeno (en su forma molecular, H2), puede obtenerse en un marco de producción limpia y usarse, como combustible térmico o químico, en un motor de combustión o una celda de combustible produciendo únicamente agua como producto residual.
La utilización de energía solar para la producción de hidrógeno por descomposición del agua es una de las vías más prometedoras, ya sea de forma indirecta (electrólisis) o directa (fotoelectrolisis, fotólisis). En el caso de la vía directa o fotogeneración, la captación solar se realiza en estructuras semiconductoras que favorecen la rotura de la molécula de agua. Dicha fotogeneración de H2 se puede corroborar haciendo experimentos en las llamadas celdas fotoelectroquímicas (PEC), en las cuales, básicamente se produce una reacción de conversión de la energía radiante (luz solar) a energía química (H2).
La generación de hidrógeno en celdas fotoelectroquímicas (PECs), utilizando compuestos semiconductores como electrodos bajo iluminación es una opción interesante y es por eso que se ha investigado al respecto en el presente trabajo.
La presente tesis doctoral ha sido enfocada hacia la búsqueda y la síntesis de compuestos y estructuras con una elevada superficie específica, una energía de banda prohibida y unas propiedades de transporte adecuadas para facilitar la disociación de la molécula de agua usando energía solar. Con este objetivo se eligieron los trisulfuros de metales de transición con estructura bidimensional. En concreto, se sintetizaron, en volumen y en película delgada, sobre sustratos (conductores y aislantes), trisulfuros binarios de Ti, Zr, Nb y Hf, así como trisulfuros ternarios de Ti-Zr y Ti-Nb, de los cuales se caracterizaron sus propiedades estructurales, morfológicas, composicionales, térmicas y fotoelectroquímicas. Finalmente se cuantificó la cantidad de hidrógeno producido bajo determinadas condiciones de iluminación y polarización en todos los compuestos investigados. Como resultado de la optimización de los compuestos sintetizados y caracterizados se concluyó que la mayor cantidad de hidrógeno se obtiene con fotoánodos de TiS3 (entre los trisulfuros binarios) y del trisulfuro ternario de Ti-Nb (entre los ternarios), con los que se consiguió generar hasta ~100μmol/h·cm2 y ~130μmol/h·cm2 de hidrógeno, respectivamente.
Debido a que los compuestos investigados para fotogeneración de hidrógeno a priori parecen tener también propiedades idóneas para su acumulación en superficie (alta superficie efectiva), se exploró la posibilidad de acumular H2 a bajas temperaturas utilizando estos mismos materiales. Para ello, se prepararon muestras de trisulfuros metálicos sintetizados en volumen, caracterizando primero sus propiedades de estabilidad térmica y después, sus propiedades con la adsorción/desorción de H2 a bajas temperaturas (~88K), en concreto, con TiS3 y con ZrS3 con los que se obtuvieron capacidades de adsorción de hidrógeno de ~0.11% en peso con el TiS3 y ~0.15% en peso con el ZrS3. En vista de lo anterior, se concluyó que dichos materiales, en la forma en que han sido obtenidos, no exhiben propiedades adecuadas para ser considerarlos acumuladores H2. Un estudio mucho más detallado de la influencia de ciertos parámetros de síntesis y sobre todo del control de la superficie específica sería necesario.
Por último, se planteó la posibilidad de explorar nuevos sulfuros con mayor proporción de azufre y se eligió el VS4 del que se realizó un estudio preliminar concluyéndose que dicho compuesto no posee las características idóneas para la producción de hidrógeno por electrolisis, si bien presenta una serie de propiedades que abren nuevas posibilidades de mejora y optimización de otros trisulfuros ternarios.
De todos los compuestos binarios y ternarios investigados en esta tesis se han obtenido los parámetros de síntesis y la optimización de sus propiedades, no solo para su uso como fotoánodos para la fotoelectrolisis del agua sino en otras aplicaciones de los materiales bidimensionales como son las aplicaciones optoelectrónicas, exploradas en colaboración con otros grupos como puede observarse en la lista de publicaciones.
Durante la ejecución de esta Tesis se han presentado 12 comunicaciones a Congresos Nacionales e Internacionales, de las cuales 3 han sido comunicaciones orales, 2 presentadas por el autor de esta tesis y una cuarta se presentará en la próxima Bienal de la Real Sociedad de Física en julio. Por último, se han publicado 15 artículos en revistas internacionales y hay 5 manuscritos en preparación próximos a ser enviados para su publicación.
