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

Abstract

A 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.