Growth and characterization of borocarbonitride and metal sulfide electrocatalysts for hydrogen production from water

• Autores: Nuria Jiménez Arévalo
• Directores de la Tesis: Fabrice Leardini (dir. tes.), Isabel J. Ferrer (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2023
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 215
• Títulos paralelos:
  • Crecimiento y caracterización de electrocatalizadores basados en borocarbonitruros y sulfuros metálicos para la producción de hidrógeno a partir de agua
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen
  • español

    La situación climática actual es cada vez más preocupante debido al aumento de la temperatura del planeta, provocado principalmente por la emisión de gases de efecto invernadero debido al uso de fuentes de energía basadas en combustibles fósiles. Para frenar este proceso, se ha propuesto realizar una transición energética hacia fuentes renovables. Sin embargo, uno de los principales problemas de estas fuentes limpias es su intermitencia, ya que su generación depende de factores como la disponibilidad del sol o el viento. Ante esta situación, el hidrógeno se ha convertido en una opción prometedora como vector energético, ya que permite almacenar energía renovable y transportarla. Además, su producción a partir de agua no emite gases de efecto invernadero si se utiliza energía renovable en el proceso. Existen varias formas de obtener hidrógeno a partir de agua, entre las que destacan la electrólisis y fotoelectrólisis del agua. Hoy en día, los electrolizadores comerciales emplean electrodos basados en elementos poco abundantes en la Tierra, lo cual podría generar nuevos problemas medioambientales y económicos. No obstante, es importante asegurar que los materiales utilizados en su producción sean abundantes, sostenibles, no tóxicos, eficientes y de bajo coste. En este contexto se enmarca la presente tesis doctoral, en la que se han sintetizado materiales basados en elementos abundantes en la Tierra, como el nitrógeno, carbono, oxígeno, azufre y titanio (entre otros). Posteriormente, se ha realizado una caracterización exhaustiva de los mismos empleando diferentes técnicas de caracterización morfológica, estructural, composicional y óptica. Finalmente, han sido investigadas sus propiedades para la disociación de la molécula del agua empleando electricidad (electrólisis) o electricidad y luz (fotoelectrólisis). En esta tesis doctoral se han investigado diferentes materiales, con el objetivo de utilizarlos en distintas reacciones para la división del agua. En primer lugar, se han sintetizado capas ultrafinas de borocarbonitruro (BCNs) sobre diferentes fotoánodos (discos planos de Ti con una capa superficial de TiOx y nanocintas de TiO2), para ser utilizados como electrocatalizadores en la reacción de evolución de oxígeno. A continuación, se han protegido fotoánodos de trisulfuro de titanio (TiS3) contra la corrosión en medios acuosos alcalinos mediante el crecimiento de una fina capa de dióxido de titanio (TiO2). Sobre estas heteroestructuras TiS3/TiO2 se han crecido diferentes electrocatalizadores para mejorar su rendimiento fotoelectroquímico. Por otro lado, se han sintetizado películas ultrafinas nanoestructuradas de disulfuro de molibdeno (MoS2) para utilizarlas como (foto)-cátodos para la reacción de evolución de hidrógeno en soluciones ácidas. Se podido comprobar que el método de síntesis juega un papel fundamental en el aumento de las propiedades electrocatalíticas de estos materiales. Por último, se han investigado por primera vez las propiedades del trisulfuro de estroncio y titanio (SrTiS3) para la foto-producción de hidrógeno

  • English

    The current climate situation is alarming due to the increase in global temperature, mainly caused by the emission of greenhouse gases from fossil fuel-based energy sources. In order to slow down this process, the energy transition to renewable sources has been proposed. However, one of the main problems of these clean sources is their intermittency, as their generation depends on factors such as the availability of the sun or wind. In this situation, hydrogen has become a promising option as an energy vector, as it can store renewable energy and permits its transport. Moreover, its production from water does not emit greenhouse gases if renewable energies are used. There are several ways of obtaining clean hydrogen, including electrolysis and photoelectrolysis of water. Today, commercial electrolysers use electrodes based on elements that are relatively expensive and scarce, which could create new environmental and economic problems. Therefore, it is important to ensure that the materials used in their production are abundant, non-toxic, sustainable, efficient, and cheap. This is the context of the present PhD thesis, in which materials based on elements abundant on Earth, such as nitrogen, carbon, oxygen, sulfur and titanium (among others), have been synthesised. Subsequently, an exhaustive characterization of these materials has been carried out using different morphological, structural, compositional, and optical characterization techniques. Finally, their properties for the water splitting reaction using electricity (electrolysis) or electricity and light (photoelectrolysis) have been investigated. Different materials have been investigated in this thesis work, aiming at their use in different reactions related to the water splitting. First, ultrathin borocarbonitride (BCNs) layers have been grown on different photoanodes (flat Ti disks with a TiOx surface layer and TiO2 nanoribbons), to be used as electrocatalysts for the oxygen evolution reaction. Second, titanium trisulfide photoanodes (TiS3) have been protected against corrosion in alkaline aqueous media by growing a thin titanium dioxide layer (TiO2). Different electrocatalysts have been grown on these TiS3/TiO2 heterostructures in order to improve their photoelectrochemical performance. Next, nanostructured molybdenum disulfide ultrathin films (MoS2) have been grown to be used as (photo)-cathodes for the hydrogen evolution reaction in acidic solutions. It has been proved that the synthesis method plays a fundamental role in increasing the electrocatalytic properties of these materials. Lastly, the properties of strontium titanium trisulfide (SrTiS3) for the photo-production of hydrogen have been investigated for the first time