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XXX CONGRESO DE LA SOCIEDAD MEXICANA DE ELECTROQUÍMICA 8TH MEETING OF THE MEXICAN SECTION ECS 1 7 DE JUNIO 12 DE JUNIO, 2015 BOCA DEL RÍO, VERACRUZ Estudio termodinámico y cinético del proceso de separación del par hueco- electrón en aluminatos con estructura tipo espinela MAl2O4 (M = Mg, Sr y Ba) durante la producción fotoelectroquímica de hidrógeno Samantha Lucia Peralta Arriaga, Christian Gómez Solís * , J. C. Ballesteros, Isaías Juárez-Ramírez, L. M. Torres-Martínez. Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), Facultad de Ingeniería Civil, Departamento de Ecomateriales y Energía, Av. Fidel Velázquez y Av. Universidad S/N, Ciudad Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México. C.P. 66455. * E-mail: [email protected] RESUMEN En el presente trabajo se muestran los resultados obtenidos en el estudio termodinámico y cinético de la separación del par hueco-electron durante el proceso de fotocatálisis para la producción de hidrógeno mediante la aplicación de aluminatos con estrcutura tipo espinela MAl2O4 (M = Mg, Sr, y Ba) como fotocatalizadores, los cuáles fueron preparados por el método de estado sólido. Los materiales fueron caracterizados por las técnicas de Difracción de Rayos X (DRX), Microscopía electrónica de barrido (SEM), Espectroscopía UV-Vis, Área superficial por Fisisorción de N2 utilizando el método BET, Cronoamperometría y Espectrocopía de impedancia electroquímica (EIS). Las pruebas fotocatalíticas se llevaron acabo en un reactor de cuarzo acoplado a un cromatógrafo de gases, en donde se obtuvo una tasa de producción máxima de 64 μmol·g -1 · h -1 para el MgAl2O4 sin el uso de ningun co-catalizador o agente de sacrificio. Se determinó el mecanismo de transferencia de carga mediante el cálculo de las bandas de conducción y valencia, con el uso combinado de las pruebas de impedancia (gráficos de Mott Schottky) y espectroscopía UV-Vis. Adicionalmente, se realizaron pruebas de fotocorrosión a los materiales obtenidos los cuáles mostraron una elevada estabilidad bajo condiciones de radiación. Palabras Clave: Fotoproducción de hidrógeno, MgAl2O4, SrAl2O4, BaAl2O4.

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Estudio termodinámico y cinético del proceso de separación del par hueco-

electrón en aluminatos con estructura tipo espinela MAl2O4 (M = Mg, Sr y Ba)

durante la producción fotoelectroquímica de hidrógeno Samantha Lucia Peralta Arriaga, Christian Gómez Solís*, J. C. Ballesteros, Isaías

Juárez-Ramírez, L. M. Torres-Martínez.

Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), Facultad de Ingeniería Civil,

Departamento de Ecomateriales y Energía, Av. Fidel Velázquez y Av.

Universidad S/N, Ciudad Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León,

México. C.P. 66455. *E-mail: [email protected]

RESUMEN

En el presente trabajo se muestran los resultados obtenidos en el estudio termodinámico y

cinético de la separación del par hueco-electron durante el proceso de fotocatálisis para la

producción de hidrógeno mediante la aplicación de aluminatos con estrcutura tipo espinela MAl2O4

(M = Mg, Sr, y Ba) como fotocatalizadores, los cuáles fueron preparados por el método de estado

sólido. Los materiales fueron caracterizados por las técnicas de Difracción de Rayos X (DRX),

Microscopía electrónica de barrido (SEM), Espectroscopía UV-Vis, Área superficial por

Fisisorción de N2 utilizando el método BET, Cronoamperometría y Espectrocopía de impedancia

electroquímica (EIS). Las pruebas fotocatalíticas se llevaron acabo en un reactor de cuarzo

acoplado a un cromatógrafo de gases, en donde se obtuvo una tasa de producción máxima de 64

µmol·g-1 · h-1 para el MgAl2O4 sin el uso de ningun co-catalizador o agente de sacrificio. Se

determinó el mecanismo de transferencia de carga mediante el cálculo de las bandas de conducción

y valencia, con el uso combinado de las pruebas de impedancia (gráficos de Mott Schottky) y

espectroscopía UV-Vis. Adicionalmente, se realizaron pruebas de fotocorrosión a los materiales

obtenidos los cuáles mostraron una elevada estabilidad bajo condiciones de radiación.

Palabras Clave: Fotoproducción de hidrógeno, MgAl2O4, SrAl2O4, BaAl2O4.

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1. INTRODUCCIÓN

Como resultado de la problemática ambiental de las últimas décadas provocada por el uso

excesivo de combustibles fósiles, se ha incrementado el desarrollo de nuevas tecnologías que

presenten alternativas energéticas. Entre estas técnologías, se encuentra la producción de hidrógeno

vía fotocatalítica mediante el rompimiento de la molécula del agua utilizando materiales

semiconductores como fotocatalizadores, este desarrollo a recibido una gran atención por parte de

la comundad científica, debido a la potencial aplicación que tiene el hidrógeno como vector

energético. Así como las ventajas económicas y ambientales que tiene la producción de un

combustible limpio el cual es generado a partir de agua y energía solar.

En el año de 1972 los científicos Honda y Fujishima demostraron por primera vez la

producción de hidrógeno usando TiO2 como fotocatalizador bajo irradiación solar [1], desde

entonces se han propuesto una gran cantidad de materiales semiconductores no solo para su

aplicación en producción de hidrógeno si no también en la degradación de compuestos orgánicos

contamianantes. Entre todos estos materiales semiconductores se encuentran los óxidos con

estructura tipo espinela de fórmula general MX2O4 (donde X3+ y M2+ pueden ser iones metálicos,

respectivamente) los cuales han sido probados como fotocatalizadores semiconductores en la

degradación de contaminantes y/o producción de hidrógeno [2–8]. Sin embargo, es importante

desarrollar nuevos materiales semiconductores bajo el diseño de ingeniería de bandas, en la cual se

considera el efecto sinérgico de dos o más semiconductores, adición de co-catalizadores para que

funcionen como colectores de huecos o electrones, dopado, etc., con la finalidad de incrementar la

actividad de producción de hidrógeno bajo radición solar. En la búsqueda de estos nuevos

materiales se debe tomar en cuenta el costo, que esten constituidos por elementos abundantes en la

naturaleza, que no pongan en riesgo la salud humana o los ecosistemas, y que presenten buena

actividad para la reacción de desprendimiento de hidrógeno y oxígeno a partir del agua.

Dentro de los compuestos con estructura tipo espinela se encuentran los aluminatos, los

cuales son materiales compuestos por elementos abundantes en la tierra, como el MgAl2O4[9],

SrAl2O4[10–12], y BaAl2O4 [13,14]. Hasta el momento los estudios reportados demuestran que,

cuando los aluminatos son irradiados con luz ultravioleta (UV) y solar, presentan propiedades

fotoluminiscentes, este proceso esta tipicamente asociado a un gran número de cargas exitadas

generadas y a la recombinación de las mismas. Mostafa y colaboradores [9], reportan la síntesis

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del MgAl2O4 mdiante el método de sol-gel-autocombustión y su aplicación para la degradación

fotocatalítica de colorantes bajo radiación solar y UV con excelentes resultados. Liu y

colaboradores[11], prepararon SrAl2O4 vía sol-gel el cual presentó una elevada eficiencia en

luminiscencia y emisión de diferentes colores bajo radiación UV, por lo que se relaciona a una

buena actividad en la generación de cargas exitadas. Por otro lado, la síntesis de BaAl2O4 vía

solución-combustión mostró excelentes propiedades ópticas bajo radiación UV, reportado en el

trabajo de Wako y colaboradores [13]. De acuerdo con los reportes en literatura podemos resumir

que estos materiales presentan una alta estabilidad química y térmica, así como una buena actividad

para la generación del par hueco/electron, propiedades que los hacen buenos candidatos para su

aplicación como fotocatalizadores en la producción de hidrógeno bajo radiación de luz. Sin

embargo, no se han encontrado reportes de la aplicación de aluminatos, estudiados en este trabajo,

con estructura tipo espinela para la producción de hidrógeno vía fotocatalítica.

En general, las características de los materiales como homogeneidad química, alta pureza,

bajo tamaño de partículas y homogeneidad de las partículas, dependen substancialmente de la ruta

de preparación. De entre los diferentes métodos de síntesis de aluminatos reportados podemos

mencionar: sol-gel[9,15], estado sólido[16,17], co-precipitación[18], secado por atomización[19]

y liofilización[20]. Sin embargo la técnica de estado sólido presenta la ventaja de obtener

materiales con elevada cristalinidad. Esta característica a sido reportada en literatura como uno de

los factores de mayor influencia en el incremento de la actividad fotocatalítica para la producción

de hidrógeno.

En el presente trabajo, se reporta la obtención de los aluminatos con estrcutura tipo espinela

MAl2O4 (M = Mg, Sr, y Ba) vía estado sólido, su caracterización, así como el estudio cinético y

termodinámico durante el proceso de producción fotocatalítica de hidrógeno, se determinaron sus

características morfológicas y su respuesta a la fotocorrosión bajo radiación solar simulada con la

finalidad de conocer su estabilidad química bajo condicones de luz. Se realizó un estudio

termodinámico y cinético del proceso de separación del par hueco/electrón bajo radiación solar.

Así mismo se evaluó su eficiencia en la producción de hidrógeno vía fotocatalítica bajo radiación

UV.

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2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

2.1.Síntesis de los aluminatos

Los aluminatos MgAl2O4, SrAl2O4 y BaAl2O4 se sintetizaron vía estado sólido usando como

precursores los carbonatos de magnesio, estroncio y bario (Aldrich 99.9% de pureza),

respectivamente. En todos los casos se utilizó óxido de aluminio (CRT 99.2% de pureza) como

fuente de aluminio. Se pesaron las cantidades de acuerdo a los calculos estequimétricos y

homogeneizaron mediante molienda manual en un mortero de agata con una pequeña cantidad de

acetona para obtener una pasta, la cuál fue molida hasta evaporar totalmente el solvente. Después

fue sometida a tratamiento térmico de 800 a 1300°C en una mufla en atmósfera de aire hasta

alcanzar el equilibrio termodinámico.

2.2.Caracterización fisicoquímica

La estructura cristalina y la transformación de las fases de los polvos obtenidos fueron

determinados mediante difracción de rayos X (DRX), usando un difractómetro marca Bruker D8

Advanced con radiación de Cukα a una longitud de onda de 1.54 Å. La morfología se determinó

mediante el uso de un microscopio electronico de barrido (SEM) con un equipo JEOL 64690 LV.

El ancho de banda de energía prohibida (Eg) se determinó por espectrofometría de UV-Vis con un

equipo modelo Lambda 35 marca Perkin Elmer acoplado con una esfera de integración. El área

superficial de los polvos se determinó mediante fisisorción de nitrógeno a tráves del método BET

con un equipo Quantachrome NOVA 2000e.

2.3.Caracterización electroquímica

La caracterización electroquímica se llevo a cabo en un potenciostato/galvanostato marca

Autolab modelo PGSTAT302N, provisto de un sistema de cómputo con el software (NOVA) para

el control de los experimentos y la adquisición de los datos. Se instaló una celda convencional de

tres electrodos, en donde se utilizó como electrodo de referencia Ag/AgCl, como contraelectrodo

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un electrodo de platino, como electrodo de trabajo se utilizaron los materiales sintetizados y como

electrolito soporte una solución 0.5 M de Na2SO4 durante todas las pruebas electroquímicas, la

solución se desoxigenó antes de cada experimento mediante burbujeo de N2 durante 15 min. Los

electrodos de trabajo se prepararon mediante la incorporación d elos polvos obtenidos sobre un

sustrato de cobre. Como sustrato de cobre se utilizó una cinta adhesiva (3M Company) con un área

superficial de 0.28 cm2.

Se realizaron pruebas de fotocorrosión mediante cronoamperometría a potencial de circuito

abierto bajo radiación solar simulada usando un simulador solar modelo Sol 1ª marca Newport,

esto con la finalidad de conocer la estabilidad química del material bajo radiación solar. También

se realizó la determinación de la capacitancia interfacial para cada sistema aluminato-electrolito

mediante la técnica de espectroscopía de impedancia electroquímica a diferentes potenciales. Así

mismo se determinó la posición de las bandas de conducción y valencia con ayuda de los gráficos

de Mott-Schottky construidos a partir de los datos obtenidos en las pruebas de impedancia (gráficos

de Nyquis) y el valor de Eg determinado por espectroscopía UV-Vis.

2.4.Producción fotocatalítica de hidrógeno

Las pruebas fotocatalíticas se realizaron en un reactor de cuarzo (250 ml) acoplado a un

cromatógrafo de gases, se colocó en el reactor una disolución de agua desionizada y el

fotocatalizador correspondiente (MAl2O4;M = Mg, Sr, y Ba) en cada prueba, en una relación 1:1

(200 ml y 200 mg respectivamente). Previo a cada reacción se desoxigenó la disolución con

burbujeo de N2. La reacción fotocatalítica comenzó cuando se encendió la lampará UV (λ = 254

nm). El avance de la reacción se siguió mediante el muestreo a cada 30 min durante las 3 h de

duración de la reacción, dichas muestras fueron analizadas mediante un cromatografo de gases

marca Thermo Scientific 3GC, acoplado al reactor, provisto de una columna con un detector TCD.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1.Análisis de difracción de Rayos X

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La Figura 1 muestra los difractogramas correspondientes de las muestras (a) MgAl2O4, (b)

SrAl2O4 y (c) BaAl2O4 sintetizadas a una temperatura de 1300°C. Los patrones de difracción

indican que en el MgAl2O4 (Figura 1(a)), presenta una estructura cúbica centrada en las caras de

acuerdo con el patrón JCPDS-01-075-1796. En la Figura 1(b) se observa que el SrAl2O4 cristaliza

con estructura monoclínica (JCPDS-01-074-0794). Para el caso del BaAl2O4 se confirmó que tiene

una estructura tipo hexagonal (Figura 1(c)) (JCPDS-01-0730202). En todos los casos MgAl2O4,

SrAl2O4 y BaAl2O4, presentan una estructura tipo espinela AB2O4.

Figura 1. Difractogramas para las muestras de (a) MgAl2O4, (b) SrAl2O4 y (c) BaAl2O4.

3.2.Análisis de SEM

En la Figura 2(a)-(c) se muestran las imágenes de SEM de (a) MgAl2O4, (b) SrAl2O4 y (c)

BaAl2O4 sintetizadas vía estado sólido, en donde podemos observar en la Figura 1(a) para la

muestra MgAl2O4 la formación de pequeños aglomerados con un tamaño de partícula menor a 1

µm. Para el SrAl2O4 se observan partículas con un tamaño menor a 5 µm las cuales se encuentran

aglomeradas formando cavidades, como se puede observar en la Figura 2(b). En la Figura 2(c) se

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observa la formación de partículas con un tamaño aproximado de 30 µm las cuales tienen una

superficie rugosa sin una morfología específica o regular para el BaAl2O4.

Figura 2. Micrografías de SEM para (a) MgAl2O4, (b) SrAl2O4 y (c) BaAl2O4

3.3.Energía de banda prohibida (Eg) y área superficial específica (SBET)

La Figura 3 ilustra los espectros de absorbancia para los tres materiales, convertidos por el

método de Kubleka-Munk, en donde se observa que los tres materiales absorben energía por debajo

de los 310 nm, lo que los hace elegibles para su aplicación en fotocatalísis bajo radiación solar y

UV. El Eg de los materiales se determinó a partir de curvas de absorbancia mostradas en la Figura

3, de los cuáles se obtuvo un valor de 3.8, 4.1 y 4.0 eV para (a) MgAl2O4, (b) SrAl2O4 y (c) BaAl2O4

respectivamente. Así mismo se determinó el área superficial obteniendo valores alrededor de los 4

m2·g-1 para los tres materiales, valores característicos para materiales síntetizados por la técnica de

estado sólido.

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Figura 3. Gráficos de Kubelka-Munk para los aluminatos

(a) MgAl2O4, (b) SrAl2O4 y (c) BaAl2O4

3.4.Producción fotocatalítica de hidrógeno

Se evaluó la capacidad fotocatalítica para la producción de hidrógeno de los materiales bajo

radiación UV (254 nm). En la Figura 4 se observa la respuesta de los materiales MgAl2O4, SrAl2O4

y BaAl2O4 en la producción de hidrógeno en función del tiempo de reacción, en donde se observa

una tasa de producción de 64, 9 y 21 µmol·g-1·h-1, respectivamente para cada aluminato.

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Figura 4. Producción fotocatalítica usando los alumintatos

MgAl2O4, SrAl2O4 y BaAl2O4 como fotocatalizadores.

Se observó que la actividad fotocatalítica de los aluminatos siguió la siguiente tendencia:

MgAl2O4 > BaAl2O4 > SrAl2O4 la cuál es proporcional al incremento del valor de la energía de

banda prohibida (Eg). Como se ha menciondado anteriormente no se han encontrado reportes en

literatura de la producción fotocatalítica de hidrógeno usando como fotocatalizadores los

aluminatos reportados en este trabajo. Sin embargo, estos resultados nos muestran una nueva

aplicación de los aluminatos como fotocatalizadores en la producción de hidrógeno.

Se encontraron reportes de algunos otros materiales con estructura tipo espinela como el BaCr2O4

en donde obtienen una tasa de producción máxima de 100 µmol·g-1·h-1 de hidrógeno usando Pt

como co-catalizador y metanol como agente de sacrificio[2]. Este valor se acerca a nuestros

resultados, sin embargo, en el trabajo aquí descrito no se utilizaron agentes de sacrificio ni co-

catalizadores que incrementen la eficiencia del proceso.

Considerando las características de la lámpara UV utilizada en los experimentos, es posible

calcular el porcentaje de eficiencia cuántica para la producción de hidrógeno, utilizando la siguiente

ecuación:

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𝜂𝑆𝑇𝐻 =Φ𝐻2

𝐺𝑓,𝐻2

°

𝑃𝑙𝑖𝑔ℎ𝑡 (1)

En donde Φ𝐻2 es la tasa de evolución de H2 sobre el área bajo irradiación UV (mol·s-1·m-2)

y 𝐺𝑓,𝐻2

° es la energía de formación libre de Gibbs del hidrógeno (237 kJ·mol-1) y Plight es la

irradiación incidente sobre el catalizador utilizada en este experimento. Se obtuvieron porcentajes

de eficiencia de producción de hidrógeno de 4.0%, 0.5% y 1.4% para MgAl2O4, SrAl2O4 y BaAl2O4

respectivamente.

Estos resultados nos confirman que existe mayor eficiencia en el mecanismo de separación

del par hueco/electrón para el MgAl2O4, en donde el aprovechamiento de las cargas exitadas

generadas es mayor y debido a esto tenemos una producción mayor de hidrógeno para este material,

una de las teorías que proponemos acerca de este comportamiento, es que existe una relación

directa en el aumento de la eficiencia y la reactividad de los enlaces en cada una de las estrcuturas

de los tres materiales diferentes estudiados en este trabajo, de las cuáles el MgAl2O4 que tiene una

estructura cúbica, la cuál pesenta una estabilidad mayor, a diferencia de la estructura del SrAl2O4

(monoclínica) o del BaAl2O4 (hexagonal), en donde, ádemas de la estabilidad de la estructura

cúbica, también se observa que los enlaces Mg-O no solo son los de menor tamaño (1.980 Å) de

los enlaces M+- O de los tres materiales reportados en este trabajo, también son los más reactivos.

Tomando en cuenta estos factores podemos encontrar una relación estrecha entre la eficiencia y la

estrcutura de los materiales, entre otros factores ya reportados en otros trabajos.

3.5.Pruebas de fotocorrosión

Se realizaron pruebas de fotocorrosión mediante la técnica de cronoamperometría, esto con

la finalidad de determinar la estabilidad química, la capacidad de absorción de luz y el mecanismo

de separación del par hueco/electrón bajo radiación UV-Vis (simulador solar) de los materiales. En

la Figura 5(a)-(c), se muestran los gráficos obtenidos de las cronoamperometrías para los

aluminatos MgAl2O4, SrAl2O4 y BaAl2O4, en donde se observa la respuesta a la fotocorriente

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determinada en ciclos de radiación ON/OFF de 30 s, en donde al incidir la radiación solar sobre el

electrodo se observa un rápido incremento en la fotocorriente y al dejar de incidir la radiación se

observó una disminución en la fotocorriente. La diferencia en los valores de fotocorriente para

MgAl2O4 y BaAl2O4 fue de 0.90 y 0.30 µA·cm-2 respectivamente, los cuales se asocian a una gran

cantidad de electrones fotogenerados para el caso de MgAl2O4. A diferencia de la respuesta

observada para el SrAl2O4 en donde no se apreció un cambio en fotocorriente de consideración,

como se puede ver en la Figura 5(c). Es importante resaltar que la relación de la respuesta obtenida

en fotocorriente de los materiales MgAl2O4 y BaAl2O4 fue de 3:1, similar a la relación en la tasa de

producción de hidrógeno obtenida para los mismos materiales ( 64 y 21 µmol·g-1·h-1 ,

respectivamente).

Adicionalmente, las pruebas de fotocorriente realizadas nos muestran una reproducibilidad

en todos los ciclos ON/OFF, así como una estabilidad en la corriente generada lo que podemos

interpretar como una elevada estabilidad de los materiales frente a la fotocorrosión.

Figura 5. Producción fotocatalítica usando los aluminatos

MgAl2O4, SrAl2O4 y BaAl2O4 como fotocatalizadores.

3.6.Determinación de la estructura de bandas

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Se realizaron pruebas de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS), para determinación

de la posición de las bandas en el mecanismo de producción fotocatalítica de hidrógeno para cada

aluminato, esto mediante la construcción de los gráficos de Mott-Shocttky. Las pruebas de EIS se

realizaron a diferentes potenciales en un rango de frecuencia de 100 kHz a 0.01 Hz. Los datos

obtenidos fueron simulados mediante el modelo de circuito equivalente, el cual consiste en la

determinación de la resistencia del material (Rs), la resistencia a la transferencia de carga (Rct), la

capacitancia de la doble capa (Cdl) y la resistencia de Warburg (W), mediante el modelo de circuito

equivalente que se encuentra insertado en la Figura 6.

Figura 6. Gráfico de Nyquis obtenido de las pruebas de EIS para

MgAl2O4, SrAl2O4 y BaAl2O4.

En la Figura 6, se observa la comparación de los espectros de EIS (gráfico de Nyquis)

obtenidos a 1.0 V vs Ag/AgCl para las muestras MgAl2O4, SrAl2O4 y BaAl2O4 en donde podemos

observar la diferencia en la capacitancia de la doble capa para cada uno de los materiales, de donde

podemos establecer una dependencia de la respuesta del material con el cambio del catión metálico

en el aluminato.

La figura 7(a)-(c) muestra los gráficos de Mott-Schottky construidos a partir de los datos

obtenidos de los gráficos de Nyquis, de donde se determinaron las posiciones de las bandas para

MgAl2O4, SrAl2O4 y BaAl2O4. En los tres casos se observó un comportamiento lineal de los datos

con una pendiente positiva, el cuál es característico de los materiales semiconductores tipo P. La

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posición de la banda de conducción se obtuvo mediante extrapolación en los gráficos de Mott-

Schottky de donde se obtuvieron los siguientes valores: -1.6, -0.87 y -1.37 V vs Ag/AgCl para

MgAl2O4, SrAl2O4 y BaAl2O4 respectivamente. Las bandas de valencia se calcularon

matemáticamente de la diferencia de la banda de conducción y el valor de Eg obtenido por UV-Vis

para cada uno de los materiales.

Figura 7(a)-(c). Gráficos de Mott-Schottky para MgAl2O4, SrAl2O4 y BaAl2O4.

El diagrama de bandas construido para MgAl2O4, SrAl2O4 y BaAl2O4 junto con los

potenciales de reducción y oxidación del agua determinados a pH 7 se muestran en la figura 8, el

cuál fue construido a partir de los datos obtenidos de los gráficos de Mott-Schoktty y los valores

de Eg determinados por UV-Vis para cada uno de los materiales. Los resultados indican que los

tres materiales poseen la energía necesaria para llevar a cabo ambos procesos tanto oxidación como

reducción de la molécula del agua, ya que en los tres casos la banda de conducción se encuentra

más negativa que el potencial de evolución de hidrógeno y la banda de valencia se encuentra en

una posición más positiva que la de la evolución de oxígeno, estos resultados muestran la misma

tendencia en cuanto a la actividad fotocatálitica que mostraron los materiales para la producción

de hidrógeno bajo radiación UV.

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Figura 8. Esquema comparativo de la estructura de bandas de los aluminatos

MgAl2O4, SrAl2O4 y BaAl2O4 sintetizados en este trabajo.

De todos los resultados obtenidos, podemos asumir que la actividad fotocatalítica para la

producción de hidrógeno utilizando como fotocatalizadores los aluminatos MgAl2O4, SrAl2O4 y

BaAl2O4 se ve directamente afectada por diversos factores como el tipo de catión en la estructura

y la reactividad de los enlaces M+-O-. Los pares hueco/electrón son generados mediante la

absorción de los fotones con energías mayores al Eg incidentes sobre el fotocatalizador, en nuestro

caso observamos una mayor actividad fotocatalítica para el MgAl2O4 el cual presento un valor

menor de Eg. Las pruebas de fotocorrosión nos indican que el MgAl2O4 mostró la mayor y más

rápida respuesta a la fotocorriente; esto es atribuido a la baja concentración de defectos

superificiales como resultado de la síntesis de estado sólido empleada para la obtención de los

materiales y a la reactividad de sus enlaces.

4. CONCLUSIONES

Los aluminatos MgAl2O4, SrAl2O4 y BaAl2O4 preparados vía estado sólido, aplicados como

fotocatalizadores son capaces de producir hidrógeno bajo radiación UV. La tasa de producción de

hidrógeno de los materiales estudiados mostró la siguiente tendencia MgAl2O4> BaAl2O4>

SrAl2O4, en donde el MgAl2O4 obtuvo la mayor tasa de producción con 64 µmol·g-1·h-1 con una

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eficiencia cuántica de producción de hidrógeno del 4.0%. Adicionalmente las pruebas

electroquímicas confirman que los aluminatos reportados en este trabajo no presentan

fotocorrosión y tienen una buena estabilidad química bajo condiciones de radiación UV. Se logró

explicar el mecanismo de producción de hidrógeno mediante la construcción del diagrama de

bandas para cada aluminato, las cuales fueron determinadas por espectroscopía de impedancia

electroquímica.

5. AGRADECIMIENTOS

Los autores externan su gratitud al CONACYT por el apoyo financiero otorgado para el

desarrollo de esta investigación a través del proyecto FON.INS./75/2012 “Fotosíntesis Artificial”,

CNPq México-Brasil 2012-174247, REPAT-2012-191358, CB-2011-168730, así como a los

proyectos PAICYT-UANL-2011-2012 y SEP-PIFI 2011-2012. También se agradece a CONACYT

por la beca otorgada a Samantha Lucia Peralta-Arriaga No.335064.

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