Photoelectrocatalytic hydrogen production with TiO2 nanostructures formed by alternating voltage anodization

Abstract

Abstract. A photoelectrocatalytic (PEC) cell uses solar light to split the water in hydrogen and oxygen. The hydrogen is a green fuel, delivers more energy than gasoline (per unit mass) and during its combustion only water is generated. The splitting of the water molecule is achieved in a PEC cell when light interacts with a photoactive semiconductor, oxidative and reductive species are generated. Nevertheless, in its current state, the PEC technology generates hydrogen at a cost 3 to 5 times higher than the target cost for industrial operation, and demands an additional electrical power input to operate at maximum efficiency. Two strategies are commonly used to reduce the operational cost of the PEC cell, first to increase the efficiency of the photoactive semiconductor, and second to supply the demanded electrical power from alternative and cost-effective energy sources. In this thesis TiO2 nanotubes prepared by anodization are used as photoanode in a PEC cell. The nanotube morphology: tube length, diameter and the number of rings on the external wall, is studied in order to increase the PEC efficiency of the material. Also, the PEC cell with nanotubes of optimized morphology is coupled to two different alternative electricity generation systems in order to provide the demanded electrical power. One of those systems removes organic pollutants from wastewater and uses light to generate the electrical power (photo-fuel cell, PFC), and the second system uses the potential generated naturally between atmospheric clouds and the Earth’s surface (harvesting of the corona effect). When coupled, the PEC cell was able to produce hydrogen independently from the power grid.

Una celda fotoelectrocatalítica (PEC, por sus siglas en inglés) usa luz solar para separar el agua en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno es un combustible limpio, es capaz de entregar más energía que la gasolina (por unidad de masa) y durante su combustión solo se genera agua. La separación de la molécula de agua se logra en una celda PEC cuando la luz interactúa con un semiconductor fotoactivo, y se generan especies oxidativas y reductivas. Sin embargo, actualmente, las celdas PEC generan hidrógeno a un costo 3 a 5 veces mayor que el requerido para operación industrial, y demandan energía eléctrica adicional para operar a máxima eficiencia. Dos alternativas se utilizan normalmente para reducir los costos operaciones de la celda PEC, la primera consiste en incrementar la eficiencia del semiconductor fotoactivo, mientras que la segunda consiste en proveer la energía eléctrica requerida a través de fuentes de energía alternativas y de bajo costo. En esta tesis nanotubos de TiO2 preparados por anodización son usados como fotoanodo en una celda PEC. La morfología de los nanotubos: longitud, diámetro y número de anillos en la pared exterior del tubo, fueron estudiados para incrementar la eficiencia PEC del material. Igualmente, la celda PEC con nanotubos de morfología optimizada fue acoplada a dos sistemas diferentes de generación de energía alternativa para el suministro de la energía eléctrica necesaria para operación a máxima eficiencia. El primer sistema remueve contaminantes orgánicos de aguas residuales y usa luz para generar la energía eléctrica (es una foto celda de combustible (PFC)), y el segundo sistema usa el potencial generado naturalmente entre las nubes de la atmósfera y la superficie de la tierra (sistema de ‘cosecha’ del efecto corona). Cuando la celda PEC estuvo acoplada, se pudo generar hidrógeno independiente de la red de electricidad convencional.