Desenvolvimento de dispositivos fotoeletroquímicos à base de BiVO4/Bi4V2O11 para conversão de energia solar em energia elétrica ou energia química a partir de resíduos líquidos industriais

Abstract

A conversão da energia da radiação solar em H2(g), combustível verde, usando-se células fotoeletroquímicas (PEC) é uma estratégia atraente para armazenar energia e minimizar o uso extensivo de combustíveis fósseis. Neste trabalho, foram fabricados fotoeletrodos por deposição spray pyrolysis de um compósito de BiVO4/Bi4V2O11 puro ou dopado com W, depositado diretamente sobre um substrato condutor FTO (sigla para fluorine-doped tin oxide) ou sobre uma camada de SnO2 previamente depositada sobre o substrato FTO. Inicialmente, os materiais foram testados na clivagem molecular da água. Verificou–se a formação de uma camada de inversão de buracos induzida pela perovskita ferroelétrica Bi4V2O11 na interface com BiVO4 de tipo–n criando uma junção p–n virtual. A fotovoltagem de saída elevada da junção, em relação a uma heterojunção p–n convencional, que pode ser ainda aumentada alterando-se a polarização e dopando-se o material ferroelétrico com tungstênio, acarreta diminuição da recombinação dos pares elétron–buracos fotogerados na superfície e aumenta a fotocorrente em até 180%. O comportamento de semicondutores de tipo–p e n quando iluminados sugere o uso potencial da heterojunção como fotoanodo e fotocatodo em uma célula PEC (ou photoelectrochemical cell) com dois fotoeletrodos. Este conceito foi comprovado pela conexão do fotoanodo BiVO4/Bi4V2O11 dopado com 1% em massa de tungstênio com o fotocatodo BiVO4/Bi4V2O11 não dopado. O sistema formado pelo acoplamento fotoanodo-fotocatodo produziu uma fotovoltagem de 1,54 V, e 0,36% de eficiência STH (solar-to-hydrogen efficiency). Um fotoeletrodo BiVO4/Bi4V2O11 dopado com 2% em massa de W foi otimizado. Evidenciou-se a formação da camada de inversão de buracos na interface semicondutora no filme mais denso. Este último foi testado em diferentes soluções, obtendo-se elevadas densidades de corrente em NaAc 0,5 mol L-1, à medida que se adicionou glicerina e vinhaça. Obteve–se a menor resistência na transferência de cargas na interface eletrodo/eletrólito 1,16 kΩ sob iluminação, utilizando a solução NaAc 0,5 mol L-1 contendo 20 %v/v de vinhaça. Nessas condições, a eficiência da conversão de energia foi aumentada em aproximadamente 100%, e dependendo do potencial aplicado a eficiência aumentou cerca de 30% em solução contendo 10 %v/v de glicerina, com relação à solução NaAc 0,5 mol L-1 pura, demonstrando que glicerina e vinhaça atuam como agentes de sacrifício eficazes no sequestro de buracos eletrônicos, para evitar a recombinação dos pares de elétron–buraco, no processo de foto–oxidação acionado por buracos.