Síntese e caracterização de filmes finos nanoestruturados de óxido de ferro para potencial aplicação na geração de gás hidrogênio em células fotossintéticas
Data
2021
Autores
Busti, Nathalie Danree
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Resumo
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.
Abstract
Descrição
Dissertação de Mestrado apresentada ao Instituto Latino-Americano de Ciências da Vida e da Natureza da Universidade Federal da Integração Latino-Americana como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Física Aplicada.
Palavras-chave
Hematita, Filmes Finos, Técnica Spray Pirólis, Células Fotoeletroquímicas