PPGQ - Mestrado em Química (Dissertações)
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Item Fotoanodos heteroestruturados de BiVO4/V2O5 obtidos a partir da reação de estado sólido entre o Bi2O3 e V2O5 para uso em células fotoeletroquímicas de clivagem da água(UFVJM, 2021) Santos Neto, Antero Ricardo; Pereira, Márcio César; Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri (UFVJM); Pereira, Márcio César; Velásquez Piñas, Jean Agustin; Salomão, Pedro Emílio AmadorA geração de combustíveis por intermédio da luz solar tem sido um dos principais desafios da sociedade moderna. A quantidade média de energia solar que incide apenas na superfície dos desertos da Terra é de aproximadamente 7,7 mil TW, assim, trata-se de um recurso alta incidência, inesgotável e, por ser de origem natural, oferece impactos mínimos ao meio ambiente. A tecnologia que governa a conversão da energia solar é a fotovoltaica e, na atualidade, ganha destaque a utilização de dispositivos específicos, como as células fotoeletroquímicas ou PEC (Photoelectrochemical cell); sobretudo por questões econômicas, uma vez que seu funcionamento baseia na coleta de luz solar por intermédio de um semicondutor que será capaz de realizar a clivagem da água. Nesse sentido, o trabalho tem como objetivo a produção de fotoanodos eficientes à base de BiVO4 e V2O5 (tendo como precursores o Bi2O3 e V2O5) por meio da técnica drop coating, puros e heterojunções, para a reação de oxidação da água. As propriedades morfológicas foram avaliadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS), espectroscopia Raman, difratometria de raios-X (DRX) e reflectância difusa (DRS) acoplado ao espectrofotômetro UV-vis. Já os desempenhos fotoeletroquímicos foram avaliados por meio das técnicas como: voltametria cíclica e linear, cronoamperometria, medidas de potencial de circuito aberto (OCP), impedância potenciostática e teste de estabilidade. Foi avaliado a produção de densidade de corrente em uma célula fotoeletroquímica de um compartimento em três eletrólitos distintos Na2SO4, NaHCO3 e Na2SO3, ambos a 1M. No escuro, o fotoanodo formado pela sobreposição da camada de V2O5 sobre a camada de Bi2O3 (1-Bi2O3/2-V2O5) produziu densidades de correntes de 0,74; 2,10 e 0,81 mA cm-2 em 1,23 V vs. RHE no sulfato, carbonato e sulfito, respectivamente. Sob iluminação, as densidades de correntes aumentam significativamente para 6,81; 19,00 e 21,42 mA cm-2 em 1,23 V vs. RHE. Dentre todos os materiais estudados, essa heterojunção (1-Bi2O3/2-V2O5) foi a que apresentou a maior atividade fotoeletroquímica, sobretudo pela formação do novo compósito, o BiVO4. Os padrões DRX e espectros Raman mostraram a formação das fases monoclínicas para o Bi2O3 e BiVO4 e ortorrômbica para o V2O5. Pelo refinamento de Rietveld obteve coeficiente de correlação igual a 1,83. As imagens MEV comprovadas pelo EDS mostraram que as heterojunções foram sintetizadas com sucesso e pela espectroscopia UV-vis. obteve-se band gap de 2,38 e 2,29 eV para o BiVO4 e V2O5, nesta ordem. O compósito BiVO4 obtido por heterojunção mostrou-se bastante fotoativo e apresentou máximo HC-STH % (half-cell solar-to-hydrogen conversion efficiency) de 0,89% a 0,37 V vs. RHE. O 1-Bi2O3/2-V2O5 apontou pelo teste de estabilidade em 7200s que a amostra se estabiliza com densidade de corrente de 2,0 e 21,4 mA cm-2 no sulfato e sulfito, nesta ordem. Os resultados mostraram que a heterojunção melhorou a separação e transporte de cargas, amenizando as recombinações dos pares elétrons/buracos fotogerados. Finalmente, este conceito simples de PEC é uma abordagem promissora e de baixo custo para promover a oxidação da água por meio da luz solar.Item Desenvolvimento de um dispositivo fotoeletroquímico a base de g-C3N4, Cu2O e CuO para clivagem da água em H2 e O2(UFVJM, 2016) Almeida, Monique Rocha; Pereira, Márcio César; Coelho, Jakelyne Viana; Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri (UFVJM); Pereira, Márcio César; Coelho, Jakelyne Viana; Silva, Adilson Candido da; Monteiro, Douglas SantosA conversão de energia solar em energia química usando células fotoeletroquímicas é uma estratégia interessante para armazenar energia. Células fotoeletroquímicas são dispositivos constituídos de fotoeletrodos semicondutores que absorvem luz com energia maior ou igual a energia de bandgap do semicondutor e geram cargas reativas (elétrons e buracos) na superfície dos fotoeletrodos capazes de promover a redução e oxidação da água em H2 e O2, respectivamente. Nesta dissertação, quatro fotoeletrodos de g-C3N4, g-C3N4/Cu1%, g- C3N4/Cu5% e Cu2O/CuO foram preparados com o objetivo de desenvolver uma célula fotoeletroquímica para clivagem da água em H2 e O2 de forma espontânea. As medidas de difratometria de raios X confirmaram a presença das fases g-C3N4 e Cu2O/CuO nos fotoeletrodos. As imagens de MEV mostraram que os materiais à base de g-C3N4 possuem morfologia do tipo esponja, enquanto a heterojunção Cu2O/CuO é formada por nanopartículas de forma indefinida. Medidas de reflectância difusa mostraram que o acoplamento do g-C3N4 e Cu2O/CuO resulta em uma melhora significativa na absorção óptica dos fotoeletrodos. Medidas de área específica indicaram que os nanomateriais à base de g-C3N4 tem alta área superficial (100 m2 g1), enquanto a área específica da heterojunção Cu2O/CuO foi de 17 m2 g1. Os resultados de redução à temperatura programada evidenciaram a formação das heterojunções. Os testes fotoeletroquímicos de produção de O2 a partir da água usando luz visível indicaram que em potenciais anódicos, apenas o fotoanodo de g-C3N4 foi estável apresentando uma densidade de fotocorrente de 16 A cm2 que corresponde a uma eficiência de conversão de luz de 0,014%. Em potenciais catódicos, a maior densidade de fotocorrente (60 A cm2) foi obtida para o fotoeletrodo Cu2O/CuO. A eficiência de conversão de luz do fotocatodo de Cu2O/CuO foi de 0,029%. Com base nos dados obtidos, uma célula fotoeletroquímica p-n foi construída usando a heterojunção Cu2O/CuO como fotocatodo e g- C3N4 como fotoanodo. Esta célula gerou uma densidade de fotocorrente in operando de 0,62 A cm2 e uma fotovoltagem de 0,62 V. A eficiência de conversão solar da fotocélula foi de 0,004% sob irradiação de luz visível. Apesar da baixa eficiência obtida, espera-se que esta dissertação possa servir de inspiração para o desenvolvimento de novos dispositivos fotoeletroquímicos para clivagem da água em H2 e O2, usando luz visível.