Homo/heterojunções em materiais semicondutores: síntese, caracterização e aplicação foto (eletro) catalítica

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dc.contributor.advisorMatos, Roberto de
dc.contributor.authorSantos, Caroline Santana dos
dc.contributor.bancaBonacin, Juliano Alves
dc.contributor.bancaSantos, Marcos José Leite
dc.contributor.bancaUrbano, Alexandre
dc.contributor.bancaDall’Antonia, Luiz Henrique
dc.coverage.extent173 p.
dc.coverage.spatialLondrina
dc.date.accessioned2024-11-08T13:10:57Z
dc.date.available2024-11-08T13:10:57Z
dc.date.issued2022-12-12
dc.description.abstractOs semicondutores são empregados como fotocatalisadores no tratamento ambiental e na conversão de energia, entretanto, uma das principais desvantagens é o desempenho foto(eletro)catalítico que muitas vezes é relativamente baixo devido à alta taxa de recombinação do par e-/h+ fotogerado. Visando obter uma separação de cargas eficiente, várias estratégias têm sido desenvolvidas, destacando a formação das heterojunções, constituídas pelo acoplamento de dois ou mais semicondutores diferentes e homojunções, construídas a partir de diferentes fases cristalinas de um único semicondutor. Diante disto, o objetivo do trabalho foi de investigar o efeito de homo e heterojunções em semicondutores a base de óxidos (TiO2, BiVO4 e WO3) para aplicações em sistemas foto(eletro)catalíticos. O Capítulo 1 aborda o desempenho fotocatalítico dos materiais TiO2 e BiVO4, constituídos por homojunções. Na Parte I, é relatado a síntese de TiO2 com estrutura core-shell rutilo@anatase por meio de um método simples de co-precipitação, no qual caracterizações por DRX, MET e HRTEM confirmaram a formação desta estrutura. O desempenho fotocatalítico dos materiais foi avaliado mediante descoloração do corante Azul de Metileno (AM) sob irradiação de luz UV, e a amostra core-shell ocasionou uma maior descoloração do corante quando comparada com as demais. Na Parte II, está relatado a síntese de BiVO4 com diferentes fases cristalinas empregando a síntese hidrotérmica. Por meio de caracterizações por DRX, MEV e fisissorção de N2 verificou-se que o pH da solução precursora influenciou na formação das fases cristalinas de BiVO4, na morfologia e nas propriedades texturais dos materiais. De acordo com os resultados de descoloração do corante AM sob irradiação de luz visível, a amostra BV_2 composta de 65% de fase monoclínica e 35% de fase tetragonal apresentou o melhor desempenho fotocatalítico. No Capítulo 2 é destacado a obtenção e eficiência fotoeletrocatalítica da heterojunção WO3/BiVO4 e o efeito da adição de um co-catalisador (Co-Pi) junto à esta heterojunção. A obtenção de WO3 foi realizada por meio de eletrodeposição baseada na redução catódica de um peroxo-precursor e BiVO4 foi obtido por drop casting de soluções de Bi e V após etapa de calcinação, que foi realizada em temperaturas (500 e 400 °C) e tempos (1 e 2 h) diferentes. Por meio do processo de eletrodeposição foto-assistida, Co-Pi foi adicionado sobre a heterojunção WO3/BiVO4 e seu efeito foi avaliado. Análises dos fotoanodos indicou que a etapa de calcinação influencia diretamente na obtenção das fases de WO3 e BiVO4 e no desempenho fotoeletroquímico dos fotoanodos. O fotoanodo WO3/BiVO4(I) (500 °C/1 h), apresentou fotocorrente de 5 mA cm-2 a 1,23 V vs. RHE, valor maior quando comparado aos demais fotoanodos. Quando o co-catalisador foi adicionado (WO3/BiVO4/Co-Pi), a resposta do fotoanodo WO3/BiVO4(I) foi aprimorado. Diante do exposto, pode-se concluir que a formação de materiais constituídos de homo e heterojunções apresentaram melhores desempenhos foto(eletro)catalíticos, fatos que pode ser atribuído à separação eficiente dos portadores de cargas fotogerados evitando a recombinação. Assim, os materiais sintetizados são promissores para aplicações na degradação de poluentes e geração de hidrogênio via water splitting.
dc.description.abstractother1Semiconductors are used as photocatalysts in environmental treatment and energy conversion, however, one of the main disadvantages is the photo(electro)catalytic performance, which is often relatively low due to the high recombination rate of the photogenerated e-/h+ pair. To obtain an efficient charge separation, several strategies have been developed, highlighting the formation of heterojunctions, constituted by the coupling of two or more different semiconductors, and homojunction, constructed from different crystalline phases of a single semiconductor. In this context, the objective was to investigate the effect of homo and heterojunctions in oxide-based semiconductors (TiO2, BiVO4, and WO3) for photo(electro)catalytic systems applications. Chapter 1 approaches the photocatalytic performance of TiO2 and BiVO4 materials, constituted by homojunction. In Part I, TiO2 synthesis with rutile@anatase core-shell structure by a simple co-precipitation method is reported, in which XRD, TEM, and HRTEM characterizations confirmed the formation of this structure. The photocatalytic performance of the materials was evaluated by discoloring the dye Methylene Blue (MB) under UV light irradiation, and the core-shell sample caused greater discoloration of the dye when compared to the others. In Part II, BiVO4 synthesis with different crystalline phases using hydrothermal synthesis is reported. Through XRD, SEM, and N2 physisorption characterizations, it was verified that the pH of the precursor solution influenced the formation of the BiVO4 crystalline phases, the morphology and textural properties of the materials. According to the MB dye decolorization results under visible light irradiation, the BV_2 sample composed of 65% monoclinic phase and 35% tetragonal phase showed the best photocatalytic performance. In Chapter 2, the achievement and photoelectrocatalytic efficiency of the WO3/BiVO4 heterojunction and the effect of adding a co-catalyst (Co-Pi) next to this heterojunction are highlighted. Obtaining WO3 was performed by the electrodeposition based on the cathodic reduction of a peroxo-precursor and BiVO4 was obtained by drop casting of Bi and V solutions after a calcination step, which was performed at temperatures (500 and 400 °C) and different times (1 and 2 h). Through the photo-assisted electrodeposition process, Co-Pi was added to the WO3/BiVO4 heterojunction and its effect was evaluated. XRD analysis of the photoanodes indicated that the calcination step directly influences the obtaining of the WO3 and BiVO4 phases and the photoelectrochemical performance of the photoanodes. The WO3/BiVO4(I) photoanode (500 °C/1 h) showed a photocurrent of 5 mA cm-2 at 1.23 V vs. RHE, a higher value when compared to the other photoanodes. When the co-catalyst was added (WO3/BiVO4/Co-Pi), the response of the WO3/BiVO4(I) photoanode was improved. Considering the results above, it can be concluded that the formation of materials produced by homo and heterojunctions presented better photo(electro)catalytic performances, facts that can be attributed to the efficient separation of the photogenerated charge carriers avoiding recombination. Thus, the synthesized materials are promising for applications in the degradation of pollutants and hydrogen generation via water splitting.
dc.identifier.urihttps://repositorio.uel.br/handle/123456789/18436
dc.language.isopor
dc.relation.departamentCCE - Departamento de Química
dc.relation.institutionnameUniversidade Estadual de Londrina - UEL
dc.relation.ppgnamePrograma de Pós-Graduação em Química
dc.subjectSemicondutores
dc.subjectFotocatálise heterogênea
dc.subjectHeterojunção
dc.subjectHomojunção
dc.subjectWater splitting
dc.subjectCatalisadores
dc.subjectMeio ambiente
dc.subjectEnergia - Conversão
dc.subjectMoléculas
dc.subject.capesCiências Exatas e da Terra - Química
dc.subject.cnpqCiências Exatas e da Terra - Química
dc.subject.keywordsSemiconductors
dc.subject.keywordsHeterogeneous photocatalysis
dc.subject.keywordsHeterojunction
dc.subject.keywordsHomojunction
dc.subject.keywordsWater splitting
dc.subject.keywordsCatalysts
dc.subject.keywordsEnvironment
dc.subject.keywordsEnergy - Conversion
dc.subject.keywordsMolecules
dc.titleHomo/heterojunções em materiais semicondutores: síntese, caracterização e aplicação foto (eletro) catalítica
dc.title.alternativeHomo/heterojunctions in semiconductor materials: synthesis, characterization and photo (electro) catalytic application
dc.typeTese
dcterms.educationLevelDoutorado
dcterms.provenanceCentro de Ciências Exatas

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