Uso de Líquidos Iônicos na síntese de ZnO para aplicação em células fotoeletroquímicas

Abstract

Materiais eletrocerâmicos estão sendo intensivamente estudados devido às suas propriedades físico-químicas e ao aumento da demanda por dispositivos mais funcionais e eficientes. O óxido de zinco (ZnO) têm chamado a atenção devido a suas aplicações em: sensores de gás, capacitores, células solares, entre outras. A preparação de ZnO cristalino pode beneficiar-se pela utilização de líquidos iônicos (LI) que atuam no crescimento e controle das nanoestruturas. Foram sintetizados os líquidos iônicos: tetrafluoroborato de 1-butil-3-metilimidazólio (BMI.BF4) e tetrafluoroborato de ácido 3-trietilamônio-propanosulfônico (TEA-PS∙BF4), e analisadas por RMN e FTIR. Os líquidos iônicos foram utilizados na síntese do ZnO em concentrações de 0, 1 e 10% (m/m). Em geral, foi obtido ZnO em única fase como mostraram os estudos de DRX e FTIR. O refinamento da estrutura cristalina pelo método de Rietveld mostrou que o LI influencia na microdeformação aumentando-a com a consequente diminuição do tamanho do cristalito com respeito ao pó de ZnO sem liquido iônico. Além disso, a adição de LI na síntese melhorou a isotropia dos cristalitos em relação ao ZnO sem LI. Os pós foram usados para preparação de uma pasta e depois aplicação em substrato condutor. Se observa com os resultados de MEV que os filmes possuem porosidade e com tamanhos diversos (entre 16 e 500 nm). Os dados obtidos - para os filmes como fotoeletrodos em células fotoeletroquímica - das curvas j-V mostraram que as células alcançaram eficiências de fotocorrente de até 0,71 %, fator de preenchimento de 0,62 e densidade de corrente de 2,11 mA.cm-2 em um filme de ZnO sintetizado com 10 % m/m deBMI.BF4. Já os filmes preparados com TEA-PS.BF4 eficiência de 1,02 %, fator de preenchimento de 0,63 e densidade de corrente de 3,03 mA.cm-2. Foi possível obter um aumento de até 78% na eficiência de fotoconversão para o fotoeletrodo com 1% m/m de TEA-PS.BF4 comparado com a célula sem adição de líquido iônico.

Physicochemical properties and the increasing demand for more functional and efficient devices of electroceramic materials have made them an object of intense study. Zinc oxide (ZnO) has attracted attention due to the large number of applications (gas sensors, capacitors, solar cells, among others). The synthesis of nanomaterials can benefit from the use of ionic liquids (IL) that exhibit low vapor pressure, high thermal stability and offer chemical stability over a large electrochemical window. These properties are use in the preparation of crystalline ZnO, without secondary phase. The ionic liquids were synthesized: tetrafluoroborate of 1- butyl-3- methylimidazole (BMI.BF 4 ) and tetrafluoroborate of 3-triethylammonium- propanesulfonic acid (TEA-PS∙BF 4 ). The ionic liquids were use in the synthesis of ZnO in concentrations of 0; 1 and 10wt%. In general, it was obtained a high purity ZnO and a single phase as shown by the DRX and FTIR studies. The refinement of the crystalline structure by the Rietveld method showed that the LI influences the microdeformation increasing it with the consequent reduction of the crystallite size in relation to the ZnO powder without ionic liquid. Moreover, the addition of LI in the synthesis made the crystals more isotropic in all cases. For preparation of a paste the powders were used and then application in conductive substrate. From the results of scanning microscopy can be seen that the films are porous and with agglomerated particles of different sizes (between 16 and 500 nm). The data obtained - for the films as photoelectrodes in photoelectrochemical cells - from the j-V curves showed that the cells achieved photocurrent efficiencies of up to 0.71 %, fill factor of 0.62 and current density of 2.11 mA.cm -2 in a ZnO film with 10 wt% of BMI.BF 4 . The films prepared with TEA-PS.BF 4 achieved efficiency of 1.02 %, fill factor of 0.63 and current density of 3.03 mA.cm -2 . The relationship between the percentage of LI and (micro)structural characteristics of ZnO was possible to obtain an increase of up to 78% in photoconversion efficiency for the photoelectrode with 1 wt% of TEA-PS.BF 4 compared to the cell without addition of ionic liquid