Desenvolvimento de um dispositivo fotoeletroqu?mico a base de g-C3N4, Cu2O e CuO para clivagem da ?gua em H2 e O2

• Main Author: Almeida, Monique Rocha
• Other Authors: Pereira, M?rcio C?sar
• Language: Portuguese
• Published: UFVJM 2017
• Subjects: C?lulas fotoeletroqu?micas; Clivagem da ?gua; Hidrog?nio; Fotoanodo; Fotocatodo; Photoelectrochemical cells; Water splitting; Hydrogen; Photoanode; Photocathode
• Online Access: http://acervo.ufvjm.edu.br/jspui/handle/1/1311

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As medidas de difratometria de raios X confirmaram a presen?a das fases g-C3N4 e Cu2O/CuO nos fotoeletrodos. As imagens de MEV mostraram que os materiais ? base de g-C3N4 possuem morfologia do tipo esponja, enquanto a heterojun??o Cu2O/CuO ? formada por nanopart?culas de forma indefinida. Medidas de reflect?ncia difusa mostraram que o acoplamento do g-C3N4 e Cu2O/CuO resulta em uma melhora significativa na absor??o ?ptica dos fotoeletrodos. Medidas de ?rea espec?fica indicaram que os nanomateriais ? base de g-C3N4 tem alta ?rea superficial (?100 m2 g?1), enquanto a ?rea espec?fica da heterojun??o Cu2O/CuO foi de 17 m2 g?1. Os resultados de redu??o ? temperatura programada evidenciaram a forma??o das heterojun??es. Os testes fotoeletroqu?micos de produ??o de O2 a partir da ?gua usando luz vis?vel indicaram que em potenciais an?dicos, apenas o fotoanodo de g-C3N4 foi est?vel apresentando uma densidade de fotocorrente de 16 ?A cm?2 que corresponde a uma efici?ncia de convers?o de luz de 0,014%. Em potenciais cat?dicos, a maior densidade de fotocorrente (60 ?A cm?2) foi obtida para o fotoeletrodo Cu2O/CuO. A efici?ncia de convers?o de luz do fotocatodo de Cu2O/CuO foi de 0,029%. Com base nos dados obtidos, uma c?lula fotoeletroqu?mica p-n foi constru?da usando a heterojun??o Cu2O/CuO como fotocatodo e g- C3N4 como fotoanodo. Esta c?lula gerou uma densidade de fotocorrente in operando de 0,62 ?A cm?2 e uma fotovoltagem de 0,62 V. A efici?ncia de convers?o solar da fotoc?lula foi de 0,004% sob irradia??o de luz vis?vel. Apesar da baixa efici?ncia obtida, espera-se que esta disserta??o possa servir de inspira??o para o desenvolvimento de novos dispositivos fotoeletroqu?micos para clivagem da ?gua em H2 e O2, usando luz vis?vel. === Disserta??o (Mestrado) ? Programa de P?s-Gradua??o em Qu?mica, Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri, 2016. === The conversion of solar energy into chemical energy using photoelectrochemical cells is an interesting strategy to store energy. Photoelectrochemical cells are made up of semiconductor photoelectrodes that absorb light with energy equal or higher than the bandgap energy of the semiconductor to generate reactive charges (electrons and holes) on the surface of the photoelectrodes, which can promote the oxidation and reduction reactions of water to form H2 and O2, respectively. In this dissertation, four photoelectrodes of g-C3N4, g-C3N4/Cu1%, g- C3N4/Cu5%, and Cu2O/CuO were prepared in order to develop a photoelectrochemical cell for spontaneous water splitting into H2 and O2. The X-ray diffraction patterns confirmed the presence of g-C3N4 and Cu2O/CuO phases in the photoelectrodes. The SEM images showed that the materials based on g-C3N4 have sponge-like morphology, whereas the Cu2O/CuO heterojunction is formed by nanoparticles with undefined shapes. Diffuse reflectance measurements showed that coupling g-C3N4 and Cu2O/CuO results in a significant improvement in optical absorption of the photoelectrodes. Surface area measurements indicated that the nanomaterials based on g-C3N4 have high surface areas (?100 m2 g?1), while the specific area for the Cu2O/CuO heterojunction was 17 m2 g?1. The temperature programmed reduction results evidenced the formation of the heterojunctions. The photoelectrochemical assays of O2 production from water using visible light indicated that at anodic potentials, only the photoanode g-C3N4 was stable showing a photocurrent density of 16 ?A cm?2, which corresponds to a light conversion efficiency of 0.014%. At cathodic potentials, the higher photocurrent density (60 ?A cm?2) was obtained for the Cu2O/CuO photoelectrode. The light conversion efficiency of the Cu2O/CuO photocathode was 0.029%. Based on the obtained data, a p-n photoelectrochemical cell was constructed using the Cu2O/CuO heterojunction as the photocathode and g-C3N4 as the photoanode. This photocell generated a photocurrent density in operando of 0.62 ?A cm?2 and photovoltage of 0.62 V. The light conversion efficiency of the photocell was 0.004% under visible light irradiation. Despite the low efficiency obtained for the p-n photocell, it is expected that this dissertation may serve of inspiration for the development of new photoelectrochemical devices for water splitting into H2 and O2 using visible light.