Hola María Belén,
me parece que estás cometiendo un error al evaluar los límites de integración luego de hacer el cambio de variable cuando pasás de integrar en a integrar en
. Fijate cuánto vale
cuando
y cuando
. (Fijate el pdf adjunto)
Por otro lado, el ejercicio se puede resolver aprovechando el resultado que hallaste en la parte 2c) del potencial debido a un cascarón esférico pongamos de radio b (donde ya integraste en los ángulos) y sólo resta integrar en la coordenada radial.
Espero que te sea de ayuda.
Saludos,
Julia.