Atualmente, a descoberta de fontes energéticas renováveis é uma questão de sobrevivência. Assim, uma alternativa interessante é o uso de energia solar na produção de combustíveis químicos. A foto decomposição da água (water splitting) tem atraído a atenção dos cientistas desde sua descoberta. Hoje, em 2021, essa tarefa permanece um desafio devido a ocorrência de recombinação de cargas e consequente redução da eficiência. Em geral, esse processo resulta de dois fenômenos de natureza distintas: (i) recombinação bulk (interior do semicondutor) e (ii) recombinação na interface. Nesse sentido, o objetivo do presente projeto é empregar diferentes estratégias de redução da recombinação de cargas. Heteroestrutura para mitigar os efeitos bulk, visto que permitem a separação espacial das cargas e formação de uma “cascata” de elétrons das bandas de maior para menor energia. E fotoeletrodeposição (FED) de três diferentes catalisadores de evolução de oxigênio (CEO) a base de fosfatos metálicos (níquel – NiPi; ferro – FePi e cobalto - CoPi). Isso porque, os CEO’s facilitam a superação da barreira cinética, reduzindo os efeitos de recombinação na interface (semicondutor/eletrólito). Para isso, os fotoanodos foram obtidos a partir de 5 etapas. Primeiro, WO₃ foi depositado por spray sobre FTO, utilizando (NH₄)₁₀H₂ (W₂O₇)₆ 0,002 mol L ⁻¹ em etilenoglicol : H₂O (1:1 – V:V), seguido de tratamento térmico (T.T) a 500 °C por 5 h. Segundo, eletrodepositou-se Bi sobre WO₃ aplicando −1,85 V vs Ag/AgCl (−50 mC cm ⁻² ) usando Bi(NO₃)₃ 0,02 mol L ⁻¹ + NaClO₄ 0,1 mol L ⁻¹ em PEG-300. Terceiro, gotejou-se solução 0,1 mol L ⁻¹ NH₄VO₃ sobre WO₃/Bi e posterior T.T a 500 °C por 2h. Quarto, dissolução do excesso de V₂O₅ com NaOH 1,0 mol L ⁻¹. Quinto, FED dos CEO’s sobre WO₃/BiVO₄, utilizando solução 0,1 mol L ⁻¹ Na₂HPO₄ pH 7 com 0,5 mmol L ⁻¹ de Co(NO₃)₂ ou Ni(NO₃)₂ ou FeSO₄ . A heteroestrutura exibiu picos de difração relativos as fases triclínica (WO₃) e monoclínica (BiVO₄). As energias de band gap corroboram com as fases cristalinas obtidas (2,78 eV - WO₃ e 2,45 eV - BiVO₄). A performance fotoeletroquímica da WO₃/BiVO₄ realizada em 0,1 mol L ⁻¹ Na₂HPO₄ + 0,5 mol L ⁻¹ Na₂SO₄ com simulador solar (lâmpada de Xenon, filtro AM1.5G – 100 mW cm ⁻²) exibiu fotocorrente de 0,65 mA cm ⁻² (1,23 V vs RHE). Sob as mesmas condições, após a FED dos CEO’s observou-se aumentos de cerca de 92, 100 e 180% para os catalisadores CoPi, NiPi e FePi, respectivamente. Desta forma, os resultados de WO₃/BiVO₄ contendo CoPi, NiPi e FePi mostram-se promissores quanto ao uso de técnicas de baixo custo na produção de fotoanodos.

Agradecimentos:

FAPESP/Shell grant #2017/11986-5, FAPESP/CDMF grant #2013/07296-2 and CNPq.

Referências:

I. Roger, M. D. Symes, J. Mater. Chem. A. 2016, 4, 6724-6741.

D. Coelho, J. P. R. S. Gaudêncio, A. S. Carminatti, F. W. P. Ribeiro, A. F. Nogueira e L. H. Mascaro, Chem. Eng. J., vol. 399, 2020.

e-mail do autor principal: joaopedro.gaudencio@gmail.com