Título: OTIMIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES OPTOELETRÔNICAS DE FOTOELETRODOS A BASE DE HEMATITA PARA APLICAÇÃO NA QUEBRA FOTOCATALÍTICA DA MOLÉCULA DE ÁGUA

Título alternativo: OPTIMIZATION OF THE OPTOELECTRONIC PROPERTIES OF HEMATITE-BASED PHOTOELECTRODES FOR APPLICATION IN PHOTOELECTROCATALYTIC WATER SPLITTING

Autoria de: Sofia Baldoni Bauti

Orientação de: Leonardo Sant Ana Gallo

Coorientação de: Karen Cristina Bedin

Presidente da banca: Leonardo Santana Gallo

Primeiro membro da banca: Julio Cesar Ugucioni

Segundo membro da banca: Fabiana da Silva Felix

Palavras-chaves: hematita, water splitting, fotoeletroquímica, hidrogênio verde, semicondutor

Data da defesa: 09/09/2022

Semestre letivo da defesa: 2022-1

Data da versão final: 16/09/2022

Data da publicação: 16/09/2022

Referência: Bauti, S. B. OTIMIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES OPTOELETRÔNICAS DE FOTOELETRODOS A BASE DE HEMATITA PARA APLICAÇÃO NA QUEBRA FOTOCATALÍTICA DA MOLÉCULA DE ÁGUA . 2022. 52 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Materiais Bacharelado)-Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2022.

Resumo: A fim de contribuir com os estudos que tangem a busca por fontes de energia renováveis, o presente trabalho centra-se no desenvolvimento de filmes nanoestruturados a base de ferro na fase hematita (??-Fe2O3) e hematita modificada com zircônio em diferentes espessuras para utilização como fotoanodos no processo de produção de hidrogênio a partir da fotoeletrocatálise de moléculas de água. Este processo ocorre em uma célula fotoeletroquímica (PEC), que se baseia em dois eletrodos imersos em um eletrólito e conectados a um circuito externo, sendo pelo menos um deles um semicondutor fotoativo. Neste trabalho a hematita é estudada como semicondutor fotoativo para a reação de desprendimento de oxigênio ( 2????2??????4?????? 4???? ??????2), a qual consiste no gargalo da produção de hidrogênio por necessitar de quatro buracos (h) e maior potencial para ocorrer em relação à reação de redução (2???? 2???????????? ????2). Recentemente, houve a otimização da síntese de filmes de hematita modificada com zircônio pelo grupo a partir da metodologia de precursores poliméricos e deposição via spin coating, resultando em um aumento de eficiência de destaque para tal rota. No entanto, apenas os efeitos da concentração do modificante foram investigados para os filmes de cerca de 100 nm, abrindo espaço para a investigação dos efeitos do aumento da espessura na performance. Neste sentido, o presente trabalho foca no estudo de espessura visando um aumento na área superficial dos filmes de hematita e absorção óptica como estratégias de aumento da eficiência. A síntese dos filmes de hematita parte de uma rota de precursores poliméricos baseada no método Pechini, seguida de uma etapa de concentração da solução polimérica e adição de zircônio como modificante, etapas consolidadas no grupo e, portanto, parâmetros fixos no desenvolvimento deste trabalho. Foram realizadas caracterizações morfológicas, ópticas e eletroquímicas a fim de delimitar a melhor diluição de álcoois para o precursor polimérico, e dadas as condições investigadas a diluição de maior eficiência foi de 1,5 mL de álcoois na solução, respeitando a estequiometria da síntese. De um modo geral, foi possível espessar os filmes a partir da metodologia empregada, porém o aumento de eficiência saturou na diluição de 1,5 mL para ambos os casos investigados, indicando ser esta a melhor razão de diluição dentre as estudadas.

Abstract: In order to contribute to the studies in the search for renewable energy sources, the present work focuses on the development of thin films based on iron in the hematite phase (??-Fe2O3) and hematite modified with zirconium in different thicknesses for use in the hydrogen production process from the photoelectrocatalysis of water molecules. This process takes place in a photoelectrochemical cell (PEC cell), which is based on two electrodes immersed in an electrolyte and conected to an external electric circuit, and one of the electrodes is a photoactive semiconductor. In this work the hematite is developed as a photoactive semiconductor for the oxygen evolution reaction (2????2??????4?????? 4???? ??????2), which is the bottleneck of hydrogen production because it requires four holes (h) and greater potential to occur in relation to reduction reaction (2???? 2???????????? ????2). Hematite, in particular, is a promising material for such application because its chemical stability in alkaline electrolyte, optical bandgap that allows it to absorb the region of visible sunlight and its extension as a mineral of the earths crust. There are, however, intrinsic factors to hematite that limit its performance, being central points to low electrical conductivity, high recombination rate in the material and low reaction kinetics. The addition of a modifying agent intends to solve such problems which restrict PEC cell industrial applications. Recently, there was an optimization of the synthesis of hematite modified with zirconium by the group, from the methodology of polymeric precursors highlighted and deposition via spin coating, resulting in an increase in the efficiency of films made by this method. However, only the effects of the modificant concentration were investigated for films around 100 nm, opening space for the investigation of the effects of increasing thickness on performance. In this sense, the work focuses on the study of the thicknesses optimization to increase the surface area of hematite thin films and in the optical absorption as strategies for the efficiency increase. The synthesis of hematite films starts from a route of polymeric precursors based on the Pechini method, followed by a step of concentration of the polymeric solution and addition of zirconium as a modifier, steps consolidated in the group and, therefore, fixed parameters in the development of this work. Morphological, optical and eletrochemical characterizations were carried out in order to define the best dilution of alcohols for the polymeric precursor, and under the conditions investigated, the dilution of greatest efficiency was 1,5 mL of alcohols in the solution, respecting the stoichiometry of the syntesis. In general, it was possible to thicken the filns using the metodology, but the increase in efficiency stucked at 1,5 mL for both investigated cases, indicating that this is the best dilution ratio among the studied.

URI: sip.prg.ufla.br/publico/trabalhos_conclusao_curso/acessar_tcc_por_curso/
engenharia_de_materiais/20221201710541

URI alternaviva: sem URI do Repositório Institucional da UFLA até o momento.

Curso: G034 - ENGENHARIA DE MATERIAIS (BACHARELADO)

Nome da editora: Universidade Federal de Lavras

Sigla da editora: UFLA

País da editora: Brasil

Gênero textual: Trabalho de Conclusão de Curso

Nome da língua do conteúdo: Português

Código da língua do conteúdo: por

Licença de acesso: Acesso aberto

Nome da licença: Licença do Repositório Institucional da Universidade Federal de Lavras

URI da licença: repositorio.ufla.br

Termos da licença: Acesso aos termos da licença em repositorio.ufla.br

Detentores dos direitos autorais: Sofia Baldoni Bauti e Universidade Federal de Lavras

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