Fibras de óxidos metálicos obtidas por eletrofiação aplicadas na geração fotoeletrocatalítica de hidrogênio - Benuto, Beatriz Caetano (2024)
A crescente demanda global por energia e os desafios geopolíticos relacionados aos recursos fósseis, têm intensificado aumentos de preços e impactos ambientais. Essa realidade destaca a necessidade de investir em fontes renováveis e limpas de energia, e tem impulsionado a pesquisa em materiais fotocatalíticos para a produção de hidrogênio a partir da energia solar, por um processo conhecido como decomposição da água. Este processo tem potencial para a produção de hidrogênio verde; no entanto, a eficiência da conversão solar em hidrogênio precisa ser aumentada para se tornar competitiva. Esta tese se concentra na síntese de materiais nanoestruturados eficientes para fotoeletrocatálise utilizando a técnica de eletrofiação. Esta técnica, que permite produzir fibras de polímeros e semicondutores, demonstrou ser uma abordagem acessível e promissora, principalmente devido à sua capacidade de produção em larga escala. Os primeiros estudos realizados neste trabalho envolveram a obtenção de fibras de materiais semicondutores (WO3 e TiO2), abordando os desafios de uniformidade e seleção dos parâmetros para eletrofiação, onde foram caracterizadas por análises térmicas (TGA/DSC). A incorporação de um segundo semicondutor (BiVO4) por processo de dip-coating também mostrou eficácia na formação de heterojunções sobre substrato FTO. Os materiais foram caracterizados morfologicamente (MEV e EDS) e estruturalmente (ERD e DRX). A avaliação do desempenho fotoeletroquímico foi realizada por voltametria e cronoamperometria, destacando a heterojunção WO3/BiVO4 como a mais eficaz para aplicação no processo fotoeletrocatalítico. Na segunda parte, foi selecionada a heterojunção WO3/BiVO4 para investigação dos parâmetros de produção de fotoânodos contendo estes semicondutores apenas por eletrofiação, seguido de calcinação. A obtenção da heterojunção em única etapa foi viabilizada pela configuração de agulhas do tipo lado a lado e coaxial, que possibilita a formação de fibras dos semicondutores em FTO. Esse desempenho destaca o acoplamento eficiente das fases fotoativas, sugerindo um alinhamento de bandas do tipo II. Comparadas as heteroestruturas core-shell e lado a lado, obtidas por agulhas coaxial e de ponta dupla, respectivamente, as fibras que contêm uma heteroestrutura do tipo lado a lado exibem maior eficiência fotoeletrocatalítica. Essas heteroestruturas proporcionam uma exposição completa da superfície dos dois componentes, conferindo ampliação da área eletroquímica, ao contrário do tipo core-shell, que têm fibras mais espessas e podem estar totalmente revestidas com o semicondutor externo (shell). A estrutura do tipo lado a lado pode aumentar a eficiência de transferência de carga, uma vez que os elétrons e lacunas fotogerados percorrem distâncias mais curtas para alcançar ambas as interfaces do fotoeletrodo. Isso pode resultar na diminuição da recombinação de portadores fotogerados e no aumento da eficiência de transferência de carga. A produção destes materiais heteroestruturados obtidos por eletrofiação mostra potencial para aplicação de eficientes fotoânodos em sistemas de geração de hidrogênio pela decomposição da água