Influência dos contornos de grãos nas propriedades elétricas de hematita policristalina modificada com diferentes elementos químicos
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Data de Publicação: | 2020 |
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Resumo: | The use of molecular hydrogen produced by photoelectrochemical cells is an alternative to fossil fuels, economically and environmentally. Hematite (α-Fe2O3) is a promising candidate to the realization of photoelectrochemical water splitting, by having low bandgap, chemical stability and low cost. However, disadvantages as low electrical conductivity and low lifetime of photogenerated holes harm its theoretical efficiency. Literature has emphasized the production of nanostructured and/or modified hematite photoelectrodes aiming to get around such negatives, but due to the great number of interfaces present in the system, there is not a quali or quantitative control in the contribution of each one on the efficiency loss. Therefore, is proposed a study with a simplified model, using a polycrystalline ceramic body modified with many cations (Sn, B, Ti, Zn, Zr and Sb), sintered at two temperatures, to verify the effect of grain boundaries, besides the different kinds of modifiers, on the electrical properties of hematite. The samples produced showed high relative density, besides different electric behaviors due to the different defects formed by the insertion of modifiers. In the case of modifications with Sn, it was formulated the hypothesis of the separation in two distinct grain boundary populations, as the sintering temperature gets larger. One of the components have a larger relaxation time, which translates into a larger electrical resistance. Ti and Zr present similar behaviors as Sn. B did not present any enhancement, probably because its valence remains the same as iron. Zn, however, induced the formation of a secondary dielectric phase. Sb was appropriated to enhance hematite’s electrical conductivity, although the presence of a secondary phase limits its application. However, the system also presented a grain bounday component with high relaxation time, acting as a limiter of the conductivity. |
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However, disadvantages as low electrical conductivity and low lifetime of photogenerated holes harm its theoretical efficiency. Literature has emphasized the production of nanostructured and/or modified hematite photoelectrodes aiming to get around such negatives, but due to the great number of interfaces present in the system, there is not a quali or quantitative control in the contribution of each one on the efficiency loss. Therefore, is proposed a study with a simplified model, using a polycrystalline ceramic body modified with many cations (Sn, B, Ti, Zn, Zr and Sb), sintered at two temperatures, to verify the effect of grain boundaries, besides the different kinds of modifiers, on the electrical properties of hematite. The samples produced showed high relative density, besides different electric behaviors due to the different defects formed by the insertion of modifiers. In the case of modifications with Sn, it was formulated the hypothesis of the separation in two distinct grain boundary populations, as the sintering temperature gets larger. One of the components have a larger relaxation time, which translates into a larger electrical resistance. Ti and Zr present similar behaviors as Sn. B did not present any enhancement, probably because its valence remains the same as iron. Zn, however, induced the formation of a secondary dielectric phase. Sb was appropriated to enhance hematite’s electrical conductivity, although the presence of a secondary phase limits its application. However, the system also presented a grain bounday component with high relaxation time, acting as a limiter of the conductivity.O uso de hidrogênio molecular produzido por células fotoeletroquímicas como combustível químico é uma alternativa ao uso combustíveis fósseis, tanto do ponto de vista econômico quanto ambiental. A hematita (α-Fe2O3) é um candidato promissor para a realização do water splitting fotoeletroquímico, por possuir baixo bandgap, estabilidade química e baixo custo. No entanto, desvantagens como baixa condutividade elétrica e baixo tempo de vida de buracos fotogerados prejudicam sua eficiência teórica. A literatura tem dedicado ênfase na produção de fotoeletrodos de hematita nanoestruturados e/ou modificados a fim de contornar tais pontos negativos, mas devido ao grande número de interfaces presentes no sistema, não há controle quali e quantitativo na contribuição de cada uma destas na perda de eficiência. Portanto, propõe-se um estudo com um modelo simplificado, utilizado um corpo cerâmico policristalino de hematita modificada com vários cátions (como Sn, B, Ti, Zn, Zr e Sb), sinterizados em duas temperaturas, para verificar o efeito dos contornosde grão, além das diferentes espécies de modificadores, nas propriedades elétricas da hematita. As amostras produzidas apresentaram alta densidade relativa, além de diferentes comportamentos elétricos devidos aos defeitos formados. No caso da modificação com Sn, formula-se a hipótese de uma separação em duas populações de contornos de grão distintas com o aumentoda temperatura de sinterização. Uma das componentes possui menor tempo de relaxação, o que se traduz em maior resistência elétrica. Ti e Zr apresentam comportamentos semelhantes ao Sn. B não apresentou melhoria, provavelmente porque sua valência permanece igual ao ferro. O Zn induziu a formação de uma fase secundária dielétrica. O Sb se mostrou apropriado para o aumento na condutividade, embora a presença de uma fase secundária limite sua aplicação. No entanto, o sistema também apresentou componente de contorno de grão com alto tempo de relaxação, que atua como limitador da condutividade.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)CAPES: Código de Financiamento 001CAPES: 88882.332718/2019-01porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessDopagemPropriedades elétricasContornos de grãoα-Fe2O3DopingElectrical propertiesGrain boundariesENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOSInfluência dos contornos de grãos nas propriedades elétricas de hematita policristalina modificada com diferentes elementos químicosNumber of grain and its influence on electrical properties of hematite modified with different chemical elementsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis6006009c25e6a7-a2cd-4058-97ed-441bc2793123reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALFabricio Benedito Destro - Tese.pdfFabricio Benedito Destro - Tese.pdfTese de doutoradoapplication/pdf6726725https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/12836/1/Fabricio%20Benedito%20Destro%20-%20Tese.pdf520160f820d8783c9d74736bfd24db6fMD51BCO carta comprovante autoarquivamento.pdfBCO carta comprovante autoarquivamento.pdfCarta comprovante da versão final de teseapplication/pdf4142302https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/12836/2/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento.pdfc9bab6a39bc975dd65037f4929d9f36bMD52CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/12836/3/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD53TEXTFabricio Benedito Destro - Tese.pdf.txtFabricio Benedito Destro - Tese.pdf.txtExtracted texttext/plain167594https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/12836/4/Fabricio%20Benedito%20Destro%20-%20Tese.pdf.txt533be7f3c42ddd227896b851f289ccafMD54BCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.txtBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.txtExtracted texttext/plain1https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/12836/6/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento.pdf.txt68b329da9893e34099c7d8ad5cb9c940MD56THUMBNAILFabricio Benedito Destro - Tese.pdf.jpgFabricio Benedito Destro - Tese.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6569https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/12836/5/Fabricio%20Benedito%20Destro%20-%20Tese.pdf.jpg635ae9bde51f9ab0d33c56abb8d7c009MD55BCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.jpgBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg13661https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/12836/7/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento.pdf.jpg8f09690de822de20776b18852c858937MD57ufscar/128362023-09-18 18:31:55.491oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/12836Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:31:55Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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