Síntese e caracterização de filmes finos nanoestruturados de óxido de ferro para potencial aplicação na geração de gás hidrogênio em células fotossintéticas

Abstract

A fotossíntese artificial em células eletroquímicas fotossintéticas, pretende emular a fotossíntese natural utilizando materiais fabricados pelo homem. Basicamente, o mecanismo de funcionamento das células fotossintéticas consiste na absorção da luz solar por parte de um material semicondutor e a utilização desta energia para a quebra da molécula de água e produção dos gases hidrogênio e oxigênio. Dentre os materiais semicondutores, o óxido de ferro é atrativo para ser utilizado nestes dispositivos devido ao seu estreito gap de energia (1,9 - 2,2 eV) que lhe permite absorver energia em toda a faixa ultravioleta e em grande parte da faixa visível do espectro eletromagnético. Assim, neste trabalho filmes finos de -Fe2O3 (óxido de ferro (III)) depositados sobre vidro condutor transparente foram obtidos por meio da técnica de Spray Pirólise. A deposição do material ocorreu a 450 ºC e com variação nas quantidades volumétricas (5, 15, 25 e 35 mL) de solução etanólica precursora de cloreto de ferro hexa-hidratado (0,2 mol·L -1 ). A partir de análises de difração de raios X e espectroscopia Raman foi possível confirmar a formação da fase hematita do Fe2O3, sem fases secundárias. A espessura dos filmes fabricados foi analisada por meio de medidas de perfilometria e os resultados demonstraram que todos os filmes possuem espessura na escala nanométrica, variando de ~100 a ~900 nm, de acordo com a quantidade de material depositada. As imagens de microscopia eletrônica de varredura mostram que os filmes mais finos – ou com menor quantidade de material depositado – possuem partículas nanométricas com formato bidimensional, e que conforme é aumentada a quantidade de material depositado, estas partículas tendem a se agrupar em formas tridimensionais. Fato que mostra variabilidade morfológica, em função da quantidade de material depositado. As medidas eletroquímicas mostram que o material exposto à luz (1 sol, 100 mW·cm-2 ) apresenta resposta satisfatória para o processo de produção de H2. A melhor resposta ocorreu para os filmes mais finos (espessura ~ 100 nm), nos que se obtiveram densidades de corrente de ~60 µA·cm-2 @ 1,23 V vs. RHE, quando iluminados. Estes filmes também foram os que apresentaram maior deslocamento do potencial de início de condução (onset potential) quando iluminados, passando de 1,05 para 0,74 V vs. RHE. Os resultados obtidos mostram que filmes finos de -Fe2O3 – podem ser facilmente preparados pelo método de Spray Pirólise e que os filmes mais finos (~ 100 nm) com partículas bidimensionais de grande área superficial e baixa espessura são melhores para a produção solar de gás hidrogênio – solar water splitting. Essas características podem estar relacionadas ao fato de que neles os portadores de carga são gerados próximo a superfície do material onde ocorrem as reações de quebra da molécula de água auxiliando, portanto, na redução das distâncias de difusão e nas recombinações dos portadores de carga.