Nanostrustured metal sulfides for electrochermical energy conversion
- Autores: Yong zuo
- Directores de la Tesis: Andreu Cabot Codina (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Frank Güell Vilà (presid.), María Ibáñez Sabaté (secret.), Kai Pan (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Nanociencias por la Universidad de Barcelona
- Materias:
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- Resumen
La crisis energética es uno de los mayores desafíos que enfrenta la humanidad. La drástica explotación actual de los combustibles fósiles podría terminar con todas las fuentes fósiles conocidas en la corteza terrestre para fines de este siglo. Para resolver la situación actual, las fuentes renovables abundantes y benignas para el medio ambiente, como la luz solar, el viento y la hidroeléctrica, han llamado la atención de la gente y se espera que sean las fuentes de energía dominantes del futuro. Sin embargo, la fluctuación intrínseca de estas fuentes de energía renovables requiere desarrollar simultáneamente estrategias para almacenar el excedente de energía durante la sobreproducción para que esté disponible cuando sea necesario. Por lo tanto, almacenar esta energía sobrante en combustibles sintéticos o en baterías se vuelve significativo. En esta tesis, los nanomateriales basados en dos tipos de sulfuros metálicos, a saber, Cu2S y SnS2, se producen y se optimizan para mejorar su rendimiento hacia tres procesos clave de conversión de energía electroquímica, a saber, la evolución electroquímica de oxígeno, la descomposición fotoelectroquímica del agua y las baterías de iones de litio.
En el primer capítulo, se presenta una introducción general para explicar la motivación del tema de tesis. En el capítulo 2, se usó un sustrato de cobre metálico como colector de corriente y plantilla química para producir matrices de las nanovarillas de Cu2S para la reacción electroquímica de evolución de oxígeno (OER). Se aplicaron herramientas de caracterización adecuadas para investigar la transformación química, estructural y morfológica en la operación OER, durante la cual las matrices iniciales de las nanovarillas de Cu2S funcionarían como un "pre-catalizador" que in situ cambió a nanohilos de CuO. En particular, el CuO derivado de Cu2S mostró un rendimiento de OER significativamente mejor cuando comparado al de CuO preparado mediante el recocido directo de un precursor de Cu(OH)2, tanto en términos de actividad como de estabilidad. El electrocatalizador obtenido de este modo figura entre los mejores catalizadores OER basados en Cu reportados hasta ahora, con un sobrepotencial de 286 mV para entregar una densidad de corriente geométrica de 10 mA/cm2 (CuO derivado de Cu2S / espuma de cobre). Los resultados se publicaron en Chemistry of Materials en 2019.
Para aprovechar la energía solar ilimitada, en el capítulo 3 se produjo un SnS2 NPL ultrafino con una banda prohibida alrededor de 2.2 eV a través de un proceso basado en una solución de inyección en caliente, y se investigaron los roles del surfactante OAm y OAc. Los NPL de SnS2 sintetizados se fundieron en FTO después del tratamiento adecuado y se evaluó su rendimiento de PEC hacia la oxidación del agua bajo luz solar simulada. El bajo rendimiento del SnS2 puro me motivó a depositar nanopartículas de Pt en su superficie como cocatalizador a través de la reducción in situ de una sal de Pt. Las heteroestructuras de SnS2-Pt con una cantidad óptima de Pt mostraron una mejora significativa (seis veces) hacia la oxidación de agua mediante PEC. El análisis de Mott-Schottky y la espectroscopía de impedancia PEC (PEIS) se utilizaron para analizar con más detalle el efecto de Pt sobre el rendimiento de PEC, y la actividad mejorada del fotoanodo SnS2-Pt podría atribuirse al contacto íntimo entre Pt NPs y SnS2 NPLs , donde ocurre un útil efecto sinergético de semiconductores de metales nobles a través de una transferencia de carga eficiente de los portadores fotogenerados del dominio de semiconductores al metal. Este trabajo fue publicado en ACS Applied Materials & Interfaces en 2019 La estructura mejorada de SnS2-Pt desarrollada en el trabajo anterior presentaba un rendimiento aceptable hacia la descomposición del agua mediante PEC. Sin embargo, todavía sufría una estabilidad moderada debido al desprendimiento de la capa de catalizador de la superficie de FTO. Para resolver este problema, en el capítulo 4 detallamos una tinta molecular simple, versátil y escalable a base de amina/tiol para cultivar capas nanoestructuradas de SnS2 directamente sobre sustratos conductores como FTO, acero inoxidable y tela de carbón. Tales capas nanoestructuradas en FTO se caracterizaron por excelentes densidades de fotocorriente. Se utilizó la misma estrategia para producir compuestos de grafeno-SnS2, recubrimientos ternarios SnS2-xSex e incluso capas de SnSe2 puro en fase. Finalmente, también se investigó el potencial de esta tinta precursora para producir cantidades en escala de gramo de SnS2 sin soporte. Los resultados fueron publicados en Chemistry of Materials en 2020.
El disulfuro de estaño no solo es un excelente fotocatalizador, sino también un prometedor material anódico para las baterías de iones de litio (LIB). En el capítulo 5, el SnS2 nanoestructurado con diferentes morfologías producidas en el capítulo 3 fueron estudiados como ánodos LIB. Descubrimos que los NPL delgados SnS2 proporcionaban el mayor rendimiento. Posteriormente, se desarrolló una estrategia de síntesis coloidal para cultivar los mismos NPL de SnS2 dentro de una matriz de g-C3N4 (CN) poroso y placas de grafito (GP) y los materiales obtenidos fueron investigados para la aplicación en LIB. Tales compuestos jerárquicos SnS2/CN/GP que usan SnS2-NPL como materiales activos, CN poroso para proporcionar vías para la difusión de electrolitos y facilitar la expansión volumétrica de SnS2, y GP como "autopistas" para el transporte de carga mostraron excelentes capacidades de velocidad (536.5 mAh g-1 a 2.0 A g-1) y una estabilidad excepcional (~ 99.7 % de retención después de 400 ciclos), que se asociaron parcialmente con una alta contribución de pseudocapacidad (88.8 % a 1.0 mV s-1). Las excelentes propiedades electroquímicas de estos nanocompuestos se atribuyeron a la sinergia creada entre los tres componentes del nanocompuesto. Este trabajo fue publicado Electrochimica Acta en 2020.
