Producción de hidrógeno vía fotoelectrocatálisis a partir de agua contaminada con rodamina B

Abstract

En el presente trabajo se llevó a cabo el proceso simultáneo de remoción de rodamina b (RhB) y producción de hidrógeno vía fotoelectrocatálisis a partir de una disolución modelo. Los electrodos de trabajo fueron manufacturados a partir de los polvos catalizadores de MoS₂ y rGO (óxido de grafeno reducido), este último, utilizado como agente promotor de carga y soporte de la fase activa del electrodo. Para la formación de la película del compósito MoS₂/rGO se prepararon tintas catalíticas, con diferentes composiciones, dispersando sonoquímicamente los polvos en un medio líquido altamente polar de etilenglicol (EG), n-metil-pirrolidona (NMP) y fluoruro de polivinilideno (PVDF) como agente aglutinante. Se utilizó la técnica de drop casting sobre un sustrato de vidrio recubierto de óxido de estaño dopado con flúor (FTO), se evaporaron los solventes y finalmente se dio tratamiento térmico a los electrodos resultantes. Se realizaron los experimentos de fotoelectrocatálisis en un reactor hermético con configuración de tres electrodos (trabajo, referencia y contra) y una ventana de cuarzo a través de la cual se irradió luz ultravioleta al fotoánodo. Para la primera parte, se utilizó una solución sintética de RhB sin la adición de algún electrolito soporte, y para la segunda parte se utilizó H₂SO₄. El seguimiento de la reacción fue por espectroscopía ultravioleta - visible, para la remoción de RhB, y cromatografía de gases al final de cada experimento para cuantificar H₂. Una vez identificado que la fotoelectrocatálisis ácida mostró una mayor velocidad de reacción, se procedió a realizar ensayos de reciclabilidad de los fotoelectrodos para evaluar su estabilidad durante tres ciclos de reacción. Los porcentajes de degradación de la RhB van desde el 40% para el electrodo MoS₂ – 20 rGO hasta 13% para el electrodo puramente de MoS₂, en tanto, la producción total de H₂ es de 113 μmol para MoS₂ – 20 rGO y de solo 44 μmol para MoS₂; estos resultados corresponden al primer ciclo de cada electrodo, pues al utilizarse en una segunda o tercera ocasión disminuye tanto la remoción de RhB como la producción de H₂. Finalmente, se evaluó la calidad del agua tratada mediante la técnica de carbono orgánico total, sugiriendo la formación de subproductos. Es importante mencionar que se aplicaron diferentes técnicas de caracterización electroquímicas, espectroscópicas y estructurales que permiten describir las propiedades del catalizador y su relación con los procesos redox estudiados.

In the present work, the simultaneous process of rhodamine b (RhB) removal and hydrogen production via photoelectrocatalysis from a model solution was carried out. The working electrodes were fabricated from MoS₂ and rGO (reduced graphene oxide) catalyst powders, being the latter used as a charge-promoting agent and as a support for the active phase of the electrode. For the formation of the MoS₂/rGO composite film, catalytic inks with different compositions were prepared by sonochemically dispersing the powders in a highly polar liquid medium of ethylene glycol (EG), NMP (n-methyl-pyrrolidone) and PVDF (polyvinylidene fluoride) as binder. The drop casting technique was used on a glass substrate with fluorine-doped tin oxide (FTO), the solvents evaporated and finally the resulting electrodes were heat treated. Photoelectrocatalysis experiments were performed in a sealed reactor with a three-electrode configuration (working, reference and counter) and a quartz window through which UV light was irradiated to the photoanode. First, a synthetic solution of rhodamine B was used without the addition of any supporting electrolyte; for the second part, H₂SO4 was added. The removal of rhodamine B was monitored by ultraviolet - visible spectroscopy and the total of H₂ production by gas chromatography. Once it was identified that the highest reaction rate was determined by acid photoelectrocatalysis, recyclability tests were performed on the photoelectrodes to evaluate their stability during three reaction cycles. The degradation percentages of RhB range from 40% for the MoS₂ – 20 rGO electrode to 13% for MoS₂ electrode, while the total H₂ production is 113 μmol for MoS₂ – 20 rGO and only 44 μmol for MoS₂; these results correspond to the first cycle of each electrode, since when using them a second or third time, both the removal of RhB and the production of H₂ were reduced. Finally, the quality of the treated water was evaluated using the total organic carbon technique, suggesting the formation of byproducts. It is important to note that different electrochemical, spectroscopic and structural characterization techniques were applied allowing the description of properties of the catalyst and its relationship with the redox processes studied.