New insights into water photooxidation on reductively pretreated hematite photoanodes

It has been recently demonstrated that the photoactivity toward oxygen evolution of a number of n-type metal oxides can be substantially improved by a reductive electrochemical pretreatment. Such an enhancement has been primarily linked to the formation of low valent metal species that increase electrode conductivity. In this work, we report new insights into the electrochemical doping using highly ordered (110)-oriented hematite nanorods directly grown on FTO. The reductive pretreatment consists in applying negative potentials for a controlled period of time. Such a pretreatment was optimized in both potentiostatic and potentiodynamic regimes. We show that the optimized pretreatment enhances electrode conductivity due to an increase in charge carrier density. However, it additionally triggers changes in the morphologic, catalytic and electronic properties that facilitate the separation and collection of the photogenerated charge carriers causing an up to 8-fold enhancement in the photocurrent for water oxidation. The reductive pretreatment can be considered as a highly controllable electrochemical n-type doping with the amount of generated Fe2+/polaron species and the change in film morphology as the main factors determining the final efficiency for water photooxidation of the resulting electrodes.We are grateful to the Spanish MINECO for financial support through projects MAT2012-37676 and MAT2015-71727-R both supported with FEDER funds. D. C. is also grateful to MINECO for the award of an FPI grant

Advances in electrocatalysts for oxygen evolution reaction of water electrolysis-from metal oxides to carbon nanotubes

© 2015 The Authors. The water electrolysis for hydrogen production is constrained by the thermodynamically unfavorable oxygen evolution reaction (OER), which requires input of a large amount of energy to drive the reaction. One of the key challenges to increase the efficiency of the water electrolysis system is to develop highly effective and robust electrocatalysts for the OER. In the past 20-30 years, significant progresses have been made in the development of efficient electrocatalysts, including metal oxides, metal oxide-carbon nanotubes (CNTs) hybrid and metal-free CNTs based materials for the OER. In this critical review, the overall progress of metal oxides catalysts and the role of CNTs in the development of OER catalyst are summarized, and the latest development of new metal free CNTs-based OER catalyst is discussed

Photoelectrocatalytic and photoelectrochromic properties of composite nanostructured metal oxide films

Los materiales llamados semiconductores (muchos de ellos óxidos metálicos) son capaces de generar portadores de carga (huecos y electrones) cuando se iluminan con luz suficientemente energética. Estos portadores son capaces de sostener reacciones redox. Los electrones de la banda de conducción (BC) y los huecos de la banda de valencia (BV) pueden reducir y oxidar, respectivamente, especies que estén en contacto directo con el semiconductor. Además, los electrones y huecos fotogenerados pueden eliminarse en el proceso que se conoce como recombinación. El grado en que se producen estas reacciones redox depende de la eficiencia en la separación de las cargas fotogeneradas. Una separación de los portadores efectiva da lugar a aplicaciones. En esta tesis se abordan detalladamente los procesos de foto(electro)cromismo y foto(electro)catálisis. La separación de los portadores de carga en un material puede verse favorecida por: - La creación de heterouniones entre dos semiconductores (óxidos) distintos. - El diseño adecuado de la nanoestructura de los óxidos: estructuras ordenadas y/o estructuras con mucha superficie interfacial. - La modificación de la superficie o del seno de los óxidos semiconductores (dopado). En las aplicaciones prácticas se pretende que haya una transferencia de carga capaz de impulsar el proceso de interés. Por lo tanto, el control de los procesos de transferencia de carga del semiconductor a través de sus interfases es fundamental en el diseño de materiales para una determinada aplicación. Teniendo todo esto en cuenta, los objetivos establecidos para esta tesis han sido: I. Preparar estructuras ordenadas de nanobarras de α-Fe2O3 (hematita) sobre vidrio conductor e investigar sus propiedades catalíticas para fotooxidar agua. Optimizar el proceso de fotooxidación del agua sobre electrodos de hematita aplicando un pretratamiento electroquímico. Estudiar el efecto del pretratamiento sobre la composición, morfología y estructura electrónica de la hematita. II. Modificar los electrodos de hematita con Ti de dos maneras distintas, una que afecte principalmente a todo el material y otra que afecte a la superficie de la hematita, con el fin de mejorar sus propiedades catalíticas para fotooxidar agua. Aplicar y estudiar el pretratamiento reductivo para los electrodos de hematita tras ser modificados con Ti. III. Modificar la superficie de las nanobarras de hematita con trimetilaluminio (TMA) mediante depósito de capa atómica (Atomic layer deposition - ALD) desde fase gas o por adsorción en fase líquida, con el fin de mejorar sus propiedades fotoelectroquímicas para oxidar agua. Investigar los cambios en las propiedades electrónicas y electroquímicas de los electrodos de hematita tras ser modificados. IV. Preparar electrodos nanoporosos de Ni(OH)2 sobre vidrio conductor (SnO2:F - FTO) e investigar sus propiedades catalíticas para oxidar agua en medio alcalino en función de la cantidad depositada y de la morfología del hidróxido. V. Preparar electrodos nanoporosos basados en capas mixtas TiO2/Ni(OH)2 sobre vidrio conductor e investigar la separación de carga en los mismos con el fin de estudiar su posible utilización en dispositivos fotoelectrocrómicos. Estudiar las cinéticas de los procesos de la coloración y decoloración a través de medidas (foto)(espectro)electroquímicas. Las siguientes cinco conclusiones generales resumen los resultados más importantes en relación con los cinco objetivos previamente mencionados. I. En este estudio se ha conseguido sintetizar barras de hematita nanoestructuradas y con orientación (110) depositadas sobre vidrio conductor a través de un método de baño químico. Estas capas se han utilizado para estudiar el proceso de fotoxidación del agua. Para mejorar las propiedades fotocatalíticas de estas capas se ha empleado un pretratamiento electroquímico simple y altamente controlable que consiste en la aplicación de potenciales negativos por un tiempo muy corto (en el rango de segundos). Este pretratamiento da lugar a una mejora de la fotocorriente de hasta ocho veces asociada a la oxidación del agua, junto con un desplazamiento negativo de 20 mV del potencial de inicio de la fotocorriente. Este pretratamiento también induce cambios en la morfología de los electrodos, capacidad electrocatalítica y en su estructura electrónica. Por lo tanto, el dopado electroquímico no puede considerarse simplemente como un dopado tipo-n capaz de aumentar la fotoactividad de las capas debido a una mejora en el transporte de electrones. En realidad, los resultados obtenidos muestran claramente que se producen cambios mucho más profundos en la estructura electrónica y la composición de las capas que mejoran significativamente las propiedades tanto electro- como foto-electrocatalíticas. De hecho, ambas propiedades siguen una tendencia general similar con el potencial del pretratamiento empleado. Dentro de un marco más general, el pretratamiento reductivo puede ser utilizado también para la mejora de estructuras de hematita previamente modificadas o dopadas. Desde una perspectiva práctica, el dopaje electroquímico tiene la limitación de no ser permanente, lo que significa que debe aplicarse periódicamente. Esto no es un inconveniente serio en un dispositivo práctico, siempre y cuando la mejora inducida por el pretratamiento compense claramente esta limitación. II. Se han diseñado dos estrategias de modificación de hematita económicas utilizando una disolución con un mismo precursor de Ti. En un procedimiento el Ti se introduce en la estructura de hematita, mientras que en la otra, se forma una capa de TiO2 ultra-delgada que cubre por completo la superficie de hematita. Ambas modificaciones inducen un aumento significativo en la fotocorriente para la oxidación de agua (4 - 6 veces). La razón principal de la mejora en las capas modificadas con Ti es la disminución significativa del proceso de recombinación. El freno de la recombinación en las muestras modificadas con una sobre-capa de TiO2 se atribuye principalmente al bloqueo de estados superficiales, mientras que en el caso de las muestras modificadas con Ti intercalado en la estructura se relaciona principalmente con el aumento del área interfacial junto con un aumento de la conductividad electrónica. III. Se han preparado electrodos basados en nanobarras de hematita modificadas con TMA empleando una estrategia simple de impregnación a partir de una disolución de hexano. Los resultados se han comparado con los obtenidos modificando los electrodos de hematita con TMA por ALD. Los electrodos modificados muestran una importante mejora, aumentando tres veces la fotocorriente de oxidación de agua. Por un lado, el TMA bloquea los estados superficiales de hematita y por otro, induce un enriquecimiento electrónico. Tal conclusión fue confirmada cualitativamente en el caso de muestras modificadas con TMA utilizando la técnica de ALD. A pesar de que la modificación en fase líquida ha dado una foto-actividad menor en términos de la magnitud de la fotocorriente que la de ALD, representa una alternativa mucho más económica. Además, el método de impregnación a partir de una disolución es industrialmente escalable. Dentro de un marco más general, la modificación con TMA es potencialmente aplicable a otros semiconductores tipo n. Por lo tanto, podría constituir una estrategia relevante para mejorar la eficiencia de la fotooxidación de agua utilizando otros materiales tales como TiO2, BiVO4, WO3, entre otros. IV. Este estudio muestra que, a través de un procedimiento simple y potencialmente escalable como el baño químico, se pueden producir capas nanoestructuradas ultra-finas de Ni(OH)2 sobre FTO. Estas películas se caracterizan por una gran actividad electrocatalítica. Son capaces de oxidar el agua desarrollando corrientes iguales o superiores a las de películas mucho más gruesas. Esto último está relacionado con el hecho de que la reacción de generación de oxígeno depende de la formación de níquel (IV) que puede verse limitada por la baja conductividad eléctrica de Ni(OH)2. Por tanto, el proceso se favorece en capas finas donde la distancia al substrato conductor es menor. Esta noción es muy importante de cara a su aplicación. No solo se minimiza la cantidad de Ni(OH)2 necesaria sino se producen también ánodos altamente eficientes transparentes y prácticamente incoloros. V. Este trabajo ha mostrado que una capa nanoporosa mixta y delgada de TiO2/Ni(OH)2 depositada sobre vidrio conductor y sometida a un potencial catódico constante puede colorearse al ser iluminada con luz ultravioleta, mientras que se decolora completamente cuando se interrumpe la iluminación. Este fenómeno se ha denominado “fotoelectrocromismo reversible potenciostatico”. El valor del potencial empleado permite seleccionar tanto el contraste en la coloración como la cinética de la decoloración. Este fenómeno es posible debido a la existencia de un área interfacial extendida de contacto TiO2/Ni(OH)2 debido a la estructura nanoporosa que permite un contacto íntimo entre ambos componentes. Desde un punto de vista práctico, estos resultados podrían facilitar el desarrollo de ventanas inteligentes con una nueva funcionalidad porque, además del convencional efecto electrocrómico, trabajarían en un segundo modo, en el que, la coloración respondería a la intensidad de la luz incidente (a un potencial constante)

Photoelectrochemical behavior of molybdenum-modified nanoparticulate hematite electrodes

The preparation of molybdenum-modified hematite electrodes by means of chemical bath deposition and their photoelectrochemical behavior toward water oxidation are reported in this work. The addition of a molybdenum precursor to the bath solution for hematite deposition induces a remarkable change of morphology in the resulting film from (110)-oriented nanorods to polyhedral nanoparticles. Despite the resulting loss of order, by controlling the Mo/Fe molar ratio in the bath solution, a significant improvement of the water oxidation photocurrent is achieved compared to nanorod pristine hematite electrodes. Such a (photo)electrochemical enhancement is mainly explained by an effective surface state passivation in Mo-modified hematite films. FE-SEM, TEM, XRD, and XPS were employed for electrode structural and morphological characterization.This work was supported by the MINECO of Spain (project MAT2015-71727-R FONDOS FEDER). A. C. wants to thank the University of Alicante for a predoctoral grant. D. C. is also grateful to MINECO for the award of an FPI grant

Potentiostatic Reversible Photoelectrochromism: An Effect Appearing in Nanoporous TiO2/Ni(OH)2 Thin Films

In the field of energy saving, finding composite materials with the ability of coloring upon both illumination and change of the applied electrode potential keeps on being an important goal. In this context, chemical bath deposition of Ni(OH)2 into nanoporous TiO2 thin films supported on conducting glass leads to electrodes showing both conventional electrochromic behavior (from colorless to dark brown and vice versa) together with photochromism at constant applied potential. The latter phenomenon, reported here for the first time, is characterized by fast and reversible coloration upon UV illumination. The bleaching kinetics shows first order behavior with respect to the NiIII centers in the film, and an order 1.2 with respect to electrons in the TiO2 film. From a more applied point of view, this study opens up the possibility of having two-mode smart windows showing not only conventional electrochromism but also reversible darkening upon illumination.This work was financially supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO) through project MAT2012-37676 (FONDOS FEDER). M.J. and D.C. also thank the Spanish MINECO for the award of FPI grants

Diseño de la evaluación de diferentes competencias en el Área de Química Física y estudio de correlaciones en los resultados

El nuevo Espacio Europeo de Educación Superior requiere nuevos modelos de evaluación basados no solo en la evaluación de los contenidos, sino también de las competencias adquiridas. En esta contribución se presentarán modelos de evaluación, con especial énfasis en la prueba escrita final, diseñados para diversas asignaturas del área de Química Física que tratan de ser exhaustivos en la evaluación de las competencias. Una vez presentado el modelo de examen, se realiza un estudio de carácter estadístico con una muestra amplia (91 exámenes) de la asignatura de Química Física Aplicada con el fin de establecer la existencia de correlaciones claras en el grado de adquisición de las diferentes competencias por parte del alumnado. El análisis del modelo de evaluación muestra que es satisfactorio en cuanto que evalúa gran parte de las competencias que requiere el actual plan de estudios de la asignatura. Sin embargo, el análisis de las calificaciones en las diferentes cuestiones de la prueba escrita muestra que existe una deficiencia en la adquisición de muchas de las competencias requeridas, con especial énfasis en aquellas que exigen una comprensión profunda de la materia y la aplicación de los conceptos aprendidos a la práctica. A la vista de los resultados se aconsejan, a nivel general, algunos cambios en el modelo de enseñanza de la asignatura

Minerals from Macedonia. X. Separation and identification of some oxide minerals by FT IR spectroscopy, AAS, AES-ICP and powder XRD

The fourier transform infrared spectroscopy (FT IR), powder X–ray diffraction (XRD) as well as atomic absorption spectrometry (AAS) and emission atomic spectrometry with induced coupled plasma (AES-ICP) are used as powerful techniques in the process of identification of several oxide minerals (hematite, Fe 2 O 3; magnetite, Fe 3 O 4; limonite, FeOOH; goethite, α-FeOOH; corundum, Al 2 O 3; rutile, TiO 2; chromite, FeCr2O4 collected from various localities in the Republic of Macedonia. The mineral association of the localities where the minerals appear from (Pehčevo, Damjan, Alšar, Ržanovo, Sivec, Raduša, Veselčani, Košino) with their petrological and mineralogical aspects are discussed. The content of the main and trace elements in the studied oxides is determined using AAS, AES-ICP, classical chemical analysis and the results are related to the geological and mineralogical conditions of their origin localities. As a pattern for mineral identification was the comparison of their infrared bands (their number, frequencies and intensities) with the corresponding literature data for the analogue (natural and synthetic) mineral species. In this context, in some cases disagreements between the infrared spectra of the studied mineral types (the number of bands and their frequencies) and the corresponding literature analogues appeared and have been discussed. The caused additional difficulties in the identification of the studied minerals were solved by the analysis of their X-ray patterns. Powder X-ray patterns were also representative for the detection of impurities in some of the studied mineral samples

Modification of Hematite Electronic Properties with Trimethyl Aluminum to Enhance the Efficiency of Photoelectrodes

The electronic properties of hematite were investigated by means of synchrotron radiation photoemission (SR-PES) and X-ray absorption spectroscopy (XAS). Hematite samples were exposed to trimethyl aluminum (TMA) pulses, a widely used Al-precursor for the atomic layer deposition (ALD) of Al2O3. SR-PES and XAS showed that the electronic properties of hematite were modified by the interaction with TMA. In particular, the hybridization of O 2p states with Fe 3d and Fe 4s4p changed upon TMA pulses due to electron inclusion as polarons. The change of hybridization correlates with an enhancement of the photocurrent density due to water oxidation for the hematite electrodes. Such an enhancement has been associated with an improvement in charge carrier transport. Our findings open new perspectives for the understanding and utilization of electrode modifications by very thin ALD films and show that the interactions between metal precursors and substrates seem to be important factors in defining their electronic and photoelectrocatalytic properties.Funding from the German Research Foundation (DFG) with the project SCHM 745/31-1, the German Ministry for Education and Research (BMBF) with the grant 03IN2 V4A, the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO) through the project MAT2012-37676 (FONDOS FEDER), the Finnish Centre of Excellence in Atomic Layer Deposition (CoE ALD), and the Estonian Research Agency (ETAg) with the project PUT170 is acknowledged. D.C. is grateful to MINECO for the award of an FPI grant