O trabalho “Redução da recombinação de carga em dispositivos para water splitting usando a heteroestrutura WO3/BiVO4”, de autoria de João Pedro Gaudêncio Ribeiro dos Santos, graduando no curso de Engenharia Química da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e aluno de iniciação científica no Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CDMF), recebeu menção honrosa durante os “XXVI Congresso de Iniciação Científica e XI Congresso de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação” da UFSCar, realizado entre os dias 11 e 14 de novembro de 2019.
O projeto trata do desenvolvimento de um material de baixo custo, com alta capacidade de síntese e bastante promissor para as reações de water splliting, utilizadas para a produção de hidrogênio. O protótipo desenvolvido apresenta uma performance de destaque e superior a materiais similares descritos na literatura.
Santos é orientado por Lúcia Helena Mascaro, professora do Departamento de Química (DQ) da UFSCar e pesquisadora do CDMF. Além de Mascaro, o trabalho conta com a co-autoria de Dyovani Coelho, Francisco W. P. Ribeiro e Ernesto Chaves Pereira.
O resumo do trabalho pode ser conferido abaixo:
Resumo: Atualmente, um dos principais desafios ambientais é a redução do uso de combustíveis fosseis na obtenção de energia. Uma alternativa interessante é o emprego do sol como fonte para geração de combustíveis químicos. Nesse contexto, a tecnologia de water splitting, na qual há a decomposição fotocatalítica da água, se destaca como potencial estimulador da economia de hidrogênio. Contudo, embora haja uma grande capacidade da conversão de energia solar em hidrogênio (STH) os dispositivos atuais apresentam baixos STH, decorrente, sobretudo, da recombinação de carga. Á vista disso, o presente trabalho visa a obtenção de heterojunções a base de WO3/BiVO4 como alternativa para minimizar tais efeitos. Para isso, WO3 foi depositado por spray sobre FTO, utilizando (NH4)10H2(W2O7)6 0,002 mol L-1 em etilenoglicol:H2O (1:1 – V:V). O spray foi mantido com vazão de solução de 1,5 ml min-1 e vazão de ar 10 L min-1 durante 1 s sobre o substrato aquecido a 90°C. Foram realizadas 4 etapas, ao final das quais os eletrodos foram tratados a 450°C por 1 h. Em todas as deposições realizou-se 10 repetições (ciclos) com intervalos de 60 s, constituindo uma etapa. Em seguida, Bi foi eletrodepositado sobre o filme de WO3, aplicando -1,85 V vs Ag/AgCl até obter-se uma densidade de carga de -50 mC cm-2 usando Bi(NO3)3 0,02 mol L-1 + NaClO4 0,1 mol L-1 em PEG-300, sob agitação. A conversão do filme de Bi metálico para BiVO4 foi realizada por drooping 50 mL cm-2 de NH4VO3 0,2 mol L-1 sobre o Bi e posterior tratamento a 500°C por 2 h. O excesso de NH4VO3 foi dissolvido em solução aquosa de NaOH 1,0 mol L-1. A estrutura cristalina foi avaliada por difração de raio-X, a partir da qual constatou-se picos relativos a fase triclínica do WO3 e monoclínica do BiVO4. A caracterização óptica permitiu averiguar band gap indireto de 2,78 eV (WO3) e band gap direto de 2,45 eV (BiVO4). A performance fotoeletroquímica do dispositivo foi desenvolvida em Na2HPO4 0,1 mol L-1 + Na2SO4 0,5 mol L-1 com simulador de irradiação solar (lâmpada de Xenon com filtro AM1.5G e radiação de 100 mW cm-2). A heterojunção WO3/BiVO4 obtida com a menor espessura de Bi (1 etapa) apresentou a maior fotocorrente, 2290 mA cm-2 (1.23 V vs RHE), cerca de 33% e 41% maior que as deposições realizadas em 2 e 3 etapas, respectivamente. Ademais, a heteroestrutura exibiu fotoatividade aproximadamente 20 vezes maior que os filmes puros de WO3 e BiVO4. De qualquer forma, os resultados com WO3/BiVO4 comprovam a formação e o desempenho efetivo de uma heteroestrutura obtida a partir de técnicas de baixo custo.
CDMF
O CDMF é um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (Cepids) apoiados pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), e recebe também investimento do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), a partir do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia dos Materiais em Nanotecnologia (INCTMN).
