Estudio termodinámico del sistema cobre-zinc-tiourea en solución acuosa para la electrodeposición de fotocátodos basados en sulfuros de cobre-zinc

Abstract

El aumento del consumo energético a nivel mundial y el cambio climático ha generado la búsqueda de nuevos combustibles de carácter renovables y ecológicos. En este ámbito surge el hidrógeno, el cual posee un alto potencial energético por sobre los combustibles fósiles, esto conlleva como alternativa al estudio de nuevas tecnologías que puedan producir el combustible de manera más eficiente y aprovechando la energía del sol como en el caso de las celdas fotoelectroquímicas. Muchos materiales basados en óxidos y sulfuros cumplen las características necesarias para ser un fotoelectrodo. En esta investigación se propuso estudiar la termodinámica del sistema Cu-Zn-Tiourea-H2O para la electrodeposición del material sulfuro bimetálico cobre-zinc, donde la tiourea (TU) es utilizada como precursora de azufre. Dentro de los resultados se obtuvieron diagramas de Pourbaix para los sistemas Cu-TU-H2O, Zn-S-H2O y Cu-Zn-TU-H2O. En este último se estudió la estabilidad del sulfuro de cobre-zinc fijando dos casos de concentraciones de los reactivos, según las proporciones Zn/Cu=4 y Zn/Cu=0,2 a 25°C los cuales representan un exceso de las concentraciones de zinc y de cobre, respectivamente. En el caso de la proporción Zn/Cu=4, se observa en el diagrama de Pourbaix una región de estabilidad de la especie CuxZnyS que comprende desde el pH 0 (entre potenciales 0,55 V vs EHE hasta -0,90 V vs EHE) hasta el pH 14 (entre potenciales -0,50 V vs EHE hasta -1,75 V vs EHE). En el caso de la proporción Zn/Cu=0,2, la región de estabilidad de la especie CuxZnyS aumenta hacia los potenciales de reducción generando una mayor área de estabilidad del material. Con respecto a la tiourea, esta no es precursora directamente de azufre para la formación de sulfuros, ya que tiende a formar complejos cobre-tiourea (CTC) en el sistema. En cambio, la disociación de la tiourea es la que genera H2S y esta especie es la que tiene mayor tendencia a formar sulfuros en potenciales de reducción. Para generar altas concentraciones de H2S en el sistema es necesario elevar la temperatura del electrolito, situación que no es favorable ya que puede generar reacciones secundarias o efectos adversos en el sistema. Es por este motivo que se propone realizar la electrodeposición a temperatura ambiente y bajo las concentraciones fijadas, con la finalidad de formar los CTC en el electrodo de trabajo, y luego realizar un tratamiento térmico a 180°C a estos complejos para poder obtener sulfuros de cobre-zinc.