Fibras de óxidos metálicos obtidas por eletrofiação aplicadas na geração fotoeletrocatalítica de hidrogênio

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dc.contributor.advisorMatos, Roberto de
dc.contributor.authorBenuto, Beatriz Caetano
dc.contributor.bancaDall’Antonia, Luiz Henrique
dc.contributor.bancaFerreira, Odair Pastor
dc.contributor.bancaBonacin, Juliano Alves
dc.contributor.bancaRadovanovic, Eduardo
dc.coverage.extent131 p.
dc.coverage.spatialLondrina
dc.date.accessioned2024-10-24T17:57:34Z
dc.date.available2024-10-24T17:57:34Z
dc.date.issued2024-06-24
dc.description.abstractA crescente demanda global por energia e os desafios geopolíticos relacionados aos recursos fósseis, têm intensificado aumentos de preços e impactos ambientais. Essa realidade destaca a necessidade de investir em fontes renováveis e limpas de energia, e tem impulsionado a pesquisa em materiais fotocatalíticos para a produção de hidrogênio a partir da energia solar, por um processo conhecido como decomposição da água. Este processo tem potencial para a produção de hidrogênio verde; no entanto, a eficiência da conversão solar em hidrogênio precisa ser aumentada para se tornar competitiva. Esta tese se concentra na síntese de materiais nanoestruturados eficientes para fotoeletrocatálise utilizando a técnica de eletrofiação. Esta técnica, que permite produzir fibras de polímeros e semicondutores, demonstrou ser uma abordagem acessível e promissora, principalmente devido à sua capacidade de produção em larga escala. Os primeiros estudos realizados neste trabalho envolveram a obtenção de fibras de materiais semicondutores (WO3 e TiO2), abordando os desafios de uniformidade e seleção dos parâmetros para eletrofiação, onde foram caracterizadas por análises térmicas (TGA/DSC). A incorporação de um segundo semicondutor (BiVO4) por processo de dip-coating também mostrou eficácia na formação de heterojunções sobre substrato FTO. Os materiais foram caracterizados morfologicamente (MEV e EDS) e estruturalmente (ERD e DRX). A avaliação do desempenho fotoeletroquímico foi realizada por voltametria e cronoamperometria, destacando a heterojunção WO3/BiVO4 como a mais eficaz para aplicação no processo fotoeletrocatalítico. Na segunda parte, foi selecionada a heterojunção WO3/BiVO4 para investigação dos parâmetros de produção de fotoânodos contendo estes semicondutores apenas por eletrofiação, seguido de calcinação. A obtenção da heterojunção em única etapa foi viabilizada pela configuração de agulhas do tipo lado a lado e coaxial, que possibilita a formação de fibras dos semicondutores em FTO. Esse desempenho destaca o acoplamento eficiente das fases fotoativas, sugerindo um alinhamento de bandas do tipo II. Comparadas as heteroestruturas core-shell e lado a lado, obtidas por agulhas coaxial e de ponta dupla, respectivamente, as fibras que contêm uma heteroestrutura do tipo lado a lado exibem maior eficiência fotoeletrocatalítica. Essas heteroestruturas proporcionam uma exposição completa da superfície dos dois componentes, conferindo ampliação da área eletroquímica, ao contrário do tipo core-shell, que têm fibras mais espessas e podem estar totalmente revestidas com o semicondutor externo (shell). A estrutura do tipo lado a lado pode aumentar a eficiência de transferência de carga, uma vez que os elétrons e lacunas fotogerados percorrem distâncias mais curtas para alcançar ambas as interfaces do fotoeletrodo. Isso pode resultar na diminuição da recombinação de portadores fotogerados e no aumento da eficiência de transferência de carga. A produção destes materiais heteroestruturados obtidos por eletrofiação mostra potencial para aplicação de eficientes fotoânodos em sistemas de geração de hidrogênio pela decomposição da água
dc.description.abstractother1The growing global demand for energy and geopolitical challenges related to fossil resources have intensified price increases and environmental impacts. This reality highlights the need to invest in renewable and clean energy sources and has driven research into photocatalytic materials to produce hydrogen from solar energy, through a process known as water splitting. This process has the potential to produce green hydrogen; however, the efficiency of solar-to-hydrogen conversion needs to be increased to become competitive. This thesis focuses on the synthesis of efficient nanostructured materials for photoelectrocatalysis using the electrospinning technique. This technique which allows the production of polymer and semiconductor fibers, has proven to be an accessible and promising approach, mainly due to its large-scale production capacity. The first studies carried out in this work involved obtaining fibers from semiconductor materials (WO3 and TiO2), addressing the challenges of uniformity and parameters for electrospinning selection, where they were characterized by thermal analyses (TGA/DSC). The incorporation of a second semiconductor (BiVO4) through a dip-coating process also showed effectiveness in the formation of heterojunctions on an FTO substrate. The materials were characterized morphologically (SEM and EDS) and structurally (ERD and XRD). The evaluation of the photoelectrochemical performance was carried out using voltammetry and chronoamperometry, highlighting the WO3/BiVO4 heterojunction as the most effective for application in the photoelectrocatalytic process. In the second part, the WO3/BiVO4 heterojunction was selected to investigate the production parameters of photoanodes containing these semiconductors only by electrospinning, followed by calcination. Obtaining the heterojunction in a single step was made possible by the configuration of side-by-side and coaxial needles which allows the formation of semiconductor fibers in FTO. This performance highlights the efficient coupling of the photoactive phases, suggesting a type II band alignment. Compared to the core-shell and side-by-side heterostructures obtained by coaxial and double-ended needles, respectively, nanofibers containing a side-by-side heterostructure exhibit higher photoelectrocatalytic efficiency. These heterostructures provide complete exposure of the surface of the two components expanding the electrochemical area, unlike the core-shell type, which has thicker fibers and can be fully coated with the external semiconductor (shell). The side-by-side structure can increase charge transfer efficiency since the photogenerated electrons and holes travel shorter distances to reach both photoelectrode interfaces. This can result in decreased recombination of photogenerated carriers and increased charge transfer efficiency. The production of these heterostructured materials obtained by electrospinning shows potential for the application of efficient photoanodes in hydrogen generation systems through water splitting
dc.identifier.urihttps://repositorio.uel.br/handle/123456789/18233
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.subjectEletrofiações
dc.subjectHeterojunção
dc.subjectFotoânodo
dc.subjectDecomposição da água
dc.subjectQuímica
dc.subjectEnergia elétrica
dc.subjectHidrogênio
dc.subjectHeteroestruturas
dc.subject.capesCiências Exatas e da Terra - Química
dc.subject.cnpqCiências Exatas e da Terra - Química
dc.subject.keywordsSemiconductors
dc.subject.keywordsElectrospun
dc.subject.keywordsHeterojunction
dc.subject.keywordsPhotoanode
dc.subject.keywordsWater splitting
dc.subject.keywordsChemistry
dc.subject.keywordsHeterostructures
dc.subject.keywordsElectric power
dc.subject.keywordsHydrogen
dc.titleFibras de óxidos metálicos obtidas por eletrofiação aplicadas na geração fotoeletrocatalítica de hidrogênio
dc.title.alternativeMetal oxide fibers obtained by electrospinning applied in the photoelectrocatalytic generation of hydrogen
dc.typeTese
dcterms.educationLevelDoutorado
dcterms.provenanceCentro de Ciências Exatas

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