Caracterização estrutural, química e de estado eletrônico de interfaces/superfícies de fotoanodos aplicados a water-splitting

• Autor(a) principal: Santos, Gabriel Trindade dos
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFRGS
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/10183/271996
• topic: Hematita; Microscopia eletrônica de transmissão

A urgência climática tem desafiado o desenvolvimento de sistemas de geração de energia verde, nos quais os dispositivos de fotoeletrocatalise (PEC) são essenciais para alcançar o êxito. O design de dispositivos PEC aplicados a reações de divisão da água é crucial para aprimorar seu desempenho. Em escala nanométrica, a eficiência do dispositivo é impulsionada pelas condições de interface e superfície. Mudanças na concentração química ou arranjos estruturais nas regiões de interface resultam em propriedades físicas únicas que podem aprimorar o desempenho do dispositivo. O conhecimento sobre o estado estrutural, químico e eletrônico de interfaces heterogêneas pode contribuir para o desenvolvimento e aprimoramento de dispositivos PEC, sendo tipicamente avaliado em escala nanométrica por imagens de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM), além de espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS) e espectroscopia dispersiva de energia (EDS) acopladas a um microscópio de varredura (STEM). Neste estudo, investigamos a interface de hematita com 3% de Zr4+ (Zrhematita) depositada em óxido de estanho dopado com flúor (FTO). As amostras foram preparadas por revestimento profundo e recozimento para cristalizar a Zr-hematita. Após a cristalização, adicionamos uma solução de NiFeOx para formar uma camada de material co-catalítico (Ni2+). Obteve-se a caracterização estrutural da região de interface por imagens HRTEM e simulações HRTEM, mostraram que a Zr-hematita e o FTO exibem distorções da rede cristalina. Imagens de campo de tensão foram obtidas por meio de análise de fase geométrica, ao qual foi identifica regiões de acúmulo de tensão. A análise do ambiente químico e eletrônico na interface FTO/Zr-hematita foi obtida por meio de mapas simultâneos de EELS e EDS no modo STEM e os dados processados por cálculos de análise multivariada. Os resultados mostram uma região de interface com espessura de 2,5 nm contendo uma mistura de FeSnOx. O mapa de concentração revelou que o Zr4+ segregou nas fronteiras de grãos da hematita e na região de mistura da interface, e que o Ni2+ é depositado na superfície livre da hematita, não no FTO. O Zr4+ atua no controle do tamanho de grão e ajuste da interface, enquanto o Ni2+ é um co-catalisador, melhorando a eficiência do dispositivo PEC. Os mapas de energia mostram uma mudança para Sn+4 para Sn+2 e Fe+3 para Fe+2 tanto nas regiões finas de grãos do FTO quanto na Zr-hematita, causada pela perda de oxigênio do sistema. Finalmente, foi realizado um estudo inicial da correlação entre a orientação dos grãos de Zr-hematita crescidos com a segregação de Zr4+ nas facetas dos grãos e a diferença do tensionamento na interface com o FTO.