Desenvolvimento de um dispositivo fotoeletroquímico a base de g-C3N4, Cu2O e CuO para clivagem da água em H2 e O2

Abstract

A 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 g1), enquanto a área específica da heterojunção Cu2O/CuO foi de 17 m2 g1. 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 cm2 que corresponde a uma eficiência de conversão de luz de 0,014%. Em potenciais catódicos, a maior densidade de fotocorrente (60 A cm2) 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 cm2 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.