Filmes finos nanoestruturados de óxido de ferro com potencial aplicação em células eletroquímicas fotossintéticas

NATHALIE DANREE BUSTI; SANDY GONZALEZ HERNANDEZ; RODRIGO PARRA; JANINE C. PADILHA; JEFFERSON LUIS FERRARI; MÁRCIO SOUSA GÓES

Congreso; I Congresso Nacional de Física, Química e Engenharia de Materiais; 2021

A fotossíntese artificial, realizada em células eletroquímicas fotossintéticas, pretende emular a fotossíntese natural utilizando materiais fabricados pelo homem. Basicamente, o mecanismo de funcionamento da célula fotossintética consiste na absorção da luz solar por parte de um material semicondutor e a utilização desta energia para a quebra da molécula de água e produção dos gases hidrogênio e oxigênio. Dentre os materiais semicondutores, o óxido de ferro é atrativo para ser utilizado nestas células devido ao seu estreito gap de energia (1,9 -2,2 eV) que lhe permite absorver energia em toda a faixa ultravioleta e em grande parte da faixa visível do espectro eletromagnético. Assim, neste trabalho filmes finos de óxido de ferro depositados sobre vidro condutor transparente foram obtidos por meio da técnica de Spray Pirólise. A deposição do material ocorreu a 450 ºC e com variação nas quantidades volumétricas (5, 15, 25 e 35 mL) de solução etanólica precursora de cloreto de ferro hexa-hidratado (0,2 mol·L-1). A partir de análises de difração de raios X e espectroscopia Raman foi possível confirmar a formação da fase hematita do Fe2O3 sem fases secundárias. A espessura dos filmes fabricados foi analisada por meio de medidas de perfilometria e os resultados demonstraram que todos os filmes possuem espessura na escala nanométrica, variando de ~ 90 a ~800 nm, de acordo com a quantidade de material depositada. A análise morfológica realizada com microscópio eletrônico de varredura mostrou um aumento na porosidade dos filmes, em função do acréscimo da quantidade de material depositado. As imagens de microscopia eletrônica de varredura mostram que os filmes mais finos ou com menor quantidade de material depositado possuem partículas nanométricas comformato bidimensional, e que conforme é aumentada a quantidade de material depositado, estas partículas tendem a se agrupar em formas tridimensionais. Fato que mostra variabilidade morfológica, em função da quantidade de material depositado. As medidas eletroquímicas mostram que o material exposto à luz (1 sol, 100 mW·cm -2) apresenta respostasatisfatória para o processo de produção de H2. A melhor resposta ocorreu para os filmes com menor espessura (espessura < 100 nm), no qual obteve-se densidades de corrente de ~60 μA·cm-2 @ 1,23 V vs RHE, quando iluminados. Estes filmes também foram os que apresentaram maior deslocamento do potencial de início de condução (onset potential) quando iluminados, passando de 1,45 para 0,74 V vs RHE; valores estes compatíveis com os já relatados por outros autores. Assim, este trabalho permitiu comprovar que filmes finos (< 100 nm) da fase alfa do óxido de ferro pod em ser facilmente preparados pelo método de Spray Pirólise para a produção solar de gás hidrogênio. O método se demostra atrativo para produção em escala, no entanto, ainda precisa de estudos adicionais relacionados aos processos eletroquímicos de absorção da luz e transferência de cargas até a produção dos gases, pois os valores de densidade de corrente ainda são baixos.