Dissertação/Tese DESENVOLVIMENTO DE FOTOANODOS À BASE DE W-BiVO4/ W-BiVO4:V2O5 PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM UM DISPOSITIVO DE 2 COMPARTIMENTOS - PPGQ

A energia solar é um recurso natural e inesgotável, e oferece hoje uma resposta a busca por fontes de energia que forneçam um impacto mínimo ao meio ambiente. A busca por dispositivos que convertam a energia solar em outras formas de energia que possam ser utilizadas leva a estudos relacionados às células fotoeletroquímicas. Neste trabalho objetivou-se a produção de diferentes fotoanodos: W-BiVO4, em diferentes proporções estequiométricas (1:1; 1,5:1; 2:1; 3:1) de síntese entre o Bismuto e o Vanádio; a heterojunção desses materiais e o V2O5; essas heterojunções com uma camadas extra de W- BiVO4 acima do filme. Todos os filmes foram depositados utilizando o método drop casting. Além disso, avaliou-se a sua eficiência frente a uma configuração de célula fotoeletroquímica completa de dois compartimentos em soluções de Na2SO4/Na2SO3 0,5 M e FeSO4/ Fe(NO3)3·9H2O 0,1 M em meio ácido. As propriedades estruturais, morfológicas e ópticas dos fotoanodos foram avaliadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS), espectroscopia UV-vis. e difratometria de raios X (DRX). O teste de DRX mostrou que para todas as amostras de W-BiVO4 a fase formada foi a monoclínica, como era esperado. A análise pela espectroscopia UV-vis confirmou que o band gap dos materiais estavam de acordo com a literatura. O UV-vis exibiu dados que comprovam que os materiais absorvem luz no espectro do visível, sendo a amostra W-BiVO4:V2O5 (D) a que apresenta a maior banda de absorção, na faixa de 550 nm. Para avaliar o desempenho fotoeletroquímico foram realizados testes de voltametria linear, cronoamperometria, impedância potenciostatica e Mott- Schottky. Dos materiais sintetizados com diferentes proporções de Bi o que melhor apresentou resultados foi o W-BiVO4 (D), proporção estequiométrica de 3:1 entre bismuto e vanádio, com uma densidade de 1,31 mA/cm2 . Os resultados mostram que a heterojunção entre os materiais tem o efeito desejado, melhorando aspectos como a separação e o transporte das cargas e evitando a recombinação dos pares fotogerados, a amostra W-BiVO4:V2O5 (D) teve uma densidade de corrente de 4,63 mA/cm2 . Com a camada extra a densidade de corrente teve um aumento de 52,7% chegando a valores de densidade de corrente de curto circuito de 8,79 mA/cm2 e uma fotovoltagem de circuito aberto de 0,86 V.Sabendo disso, a heterojunção proposta apresenta-se como material com grande potencial para aplicação em células fotoeletroquímicas.

Solar energy is a natural and inexhaustible resource, and today it offers an answer to the search for energy sources that provide a minimal impact on the environment. The search for devices that convert solar energy into other forms of energy that can be used leads to studies related to photoelectrochemical cells. The aim of this work was to produce different photoanodes: W-BiVO4, in different stoichiometric proportions (1:1; 1.5:1; 2:1; 3:1) of synthesis between Bismuth and Vanadium; the heterojunction of these materials and the V2O5; these heterojunctions with an extra layer of W-BiVO4 above the film. Deposition was performed using the drop casting method. In addition, its efficiency was evaluated against a complete photoelectrochemical cell configuration with two compartments in 0.5 M Na2SO4/ Na2SO3 and FeSO4/ Fe(NO3)3 9H2O 0.1 M solutions in acidic medium. The structural, morphological and optical properties of the photoanodes were evaluated by scanning electron microscopy (SEM), X-ray dispersive energy spectroscopy (EDS), UV-vis spectroscopy. and X-ray diffractometry (XRD). The XRD test showed that for all samples of W-BiVO4 the phase formed was the monoclinic one as expected. The analysis by UV-vis spectroscopy confirmed that the band gap of the materials was in accordance with the literature. UV-vis showed data that prove that the materials absorb light in the visible spectrum, with the sample W-BiVO4:V2O5(D) having the highest absorption band, in the 550 nm range. Linear voltammetry, chronoamperometry, potentiostatic impedance and Mott-Schottky tests were performed to assess photoelectrochemical performance. Of the materials synthesized with different proportions of Bi, the one that showed the best results was W-BiVO4(D), stoichiometric ratio of 3: 1 between bismuth and vanadium, with a density of 1.31 mA/cm2 . The results show that the heterojunction between the materials has the desired effect, improving aspects such as the separation and transport of the loads and avoiding the recombination of the photogenerated pairs, the sample W-BiVO4:V2O5(D) had a current density of 4,63 mA/cm2 . With the extra layer, the current density increased by 52.7% reaching values for short circuit current density of 8.79 mA /cm2 and an open circuit photovoltage of 0.86 V. Knowing this, the heterojunction proposal presents itself as a material with great potential for application in photoelectrochemical cells.