Desenvolvimento de fotocélulas de glicose/H2O2 usando fotoanodos à base de W-BiVO4/V2O5 para geração de eletricidade

Abstract

Currently, there is a growing concern about the environmental impacts associated with the use of fossil fuels, which added to the energy crisis that has been increasing has challenged researchers in the development of unconventional energy sources. In this context, in recent years, researches related to the use of sugarcane bagasse have increased mainly focused on the production of second-generation ethanol (E2G). However, it is interesting to diversify energy options for the use of glucose from the sugarcane bagasse hydrolysate. In this sense, photofuel cells (PFC) have attracted interest due to their ability to harness solar energy and biomass energy simultaneously to generate electricity. Thus, the use of photoanodes based on the W-BiVO4/V2O5 semiconductor has recently been presented as an alternative in photoelectrochemical devices. Different strategies were used to achieve the physical improvement of the semiconductor material and high density of photocurrent in the device. In this sense, the use of hole scavengers that can be used as fuel in PFCs are an alternative, which in addition to the physical improvements of the semiconductor, can increase the photocurrent and, consequently, improve the performance parameters of the PFCs. This research aims to development a PFC, capable of harnessing glucose (Glc) and H2O2, with the purpose of generating electricity to be used in electrical devices. The research methodology is based initially on the synthesis and characterization of the W-BiVO4/V2O5 semiconductor, subsequently, photoelectrochemical tests seek to achieve optimal photocurrent generation parameters. Finally, the best systems based on the use of Glc and H2O2 were tested to evaluate the performance parameters of the PFC, from which the robust test can be performed and propose a system in configurations of 1.5 V and 12 V, aiming at the generation of electricity. Xe lamp, 100 mW cm-2, was used for the experiments. The results show that the use of Glc and H2O2 alone significantly increased the photocurrent generation by 103% and 46% respectively in reference to the use of the blank sample. On the other hand, when Glc/H2O2 is used simultaneously, a synergy is achieved that allows the photocurrent generation to be potentiated due to cleaning holes, oxidation of Glc and consequently electron injection to the system, allowing an increase in the photocurrent of 1700%. Based on these results, performance parameters of a PFC, open circuit voltage, Voc of 0.48 V, short circuit current, Jsc of 9.28 mA cm-2, PFC power, Pmax of 1.16 mW cm-2, with an efficient conversion of solar energy into electric energy, η of 1.16%, which is much higher than the research involving the use of glucose as a fuel.

La creciente preocupación por los impactos ambientales asociados con el uso de combustibles fósiles, que, también debido a la creciente demanda mundial de energía, ha ido aumentando y ha desafiado la investigación sobre el desarrollo de fuentes de energía no convencionales. En los últimos años, la investigación relacionada con el uso del bagazo de caña de azúcar se ha intensificado, principalmente con un enfoque en la producción de etanol de segunda generación (E2G). Es necesario, por lo tanto, diversificar las opciones de energía para el uso de glucosa proveniente del hidrolizado celulósico del bagazo de caña de azúcar. Por otro lado, las fotocélulas de combustible (PFC) han atraído un interés especial por su capacidad de aprovechar tanto la energía solar como la energía de biomasa para la generación de electricidad. Por lo tanto, el uso de fotoánodos basados en el semiconductor W-BiVO4/V2O5 se ha presentado recientemente como una alternativa en dispositivos fotoelectroquímicos. Diferentes estrategias fueron utilizadas para lograr la mejora física del material semiconductor y elevadas densidades de fotocorriente en el dispositivo. En este sentido, el uso de secuestradores de agujeros que pueden utilizarse, a su vez, como combustibles en PFC, se presentan como una alternativa, que, además de las posibles mejoras físicas del semiconductor, puede aumentar la fotocorriente y, en consecuencia, mejorar los parámetros de desempeño de las PFC. Esta investigación tiene como objetivo desarrollar una PFC capaz de aprovechar la glucosa (Glc) y el H2O2, a fin de generar electricidad para ser aprovechada en dispositivos eléctricos. Metodológicamente, la investigación se basa, al principio, en la síntesis y caracterización del semiconductor W-BiVO4/V2O5; posteriormente, las pruebas fotoelectroquímicas buscan alcanzar parámetros óptimos de generación de fotocorriente. Finalmente, se probaron los mejores sistemas basados en el uso de Glc y H2O2 para evaluar los parámetros de rendimiento de la PFC, a partir del cual puede ser realizado una prueba robusta y proponer un sistema en configuraciones de 1.5 V y 12 V destinado a generar electricidad. Para los experimentos fue utilizada una lámpara de Xe, 100 mW cm-2. Los resultados muestran que el uso de Glc y H2O2 de forma individual aumentó significativamente la generación de fotocorriente en un 103% y 46%, respectivamente, en referencia al uso de la muestra que sirve como referencia (blanco). Por otro lado, el uso simultáneo de Glc/H2O2 revela una sinergia que permite mejorar la generación de fotocorriente, debido al secuestro de agujeros, la oxidación de Glc y, en consecuencia, la inyección de electrones al sistema, lo que permite un aumento en la fotocorriente del 1700%. En base a estos resultados fueron conseguidos parámetros de desempeño en una PFC de voltaje de circuito abierto, Voc de 0,48 V, corriente de corto circuito, Jsc de 9,28 mA cm-2, potencia de la fotocélula, Pmax de 1,16 mW cm-2, con una eficiencia de conversión de energía solar en energía eléctrica, η de 1,16%, siendo estos resultados muy superiores a las investigaciones que involucran el uso de glucosa como combustible.