Desenvolvimento de dispositivos semicondutores para geração de hidrogênio verde via separação fotoeletroquímica da água sem polarização externa

• Processo: 23/00618-6
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa de Pesquisa sobre Mudanças Climáticas Globais - Regular
• Data de Início da vigência: 01 de setembro de 2023
• Data de Término da vigência: 31 de agosto de 2025
• Área do conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Física - Física da Matéria Condensada
• Pesquisador responsável: Renato Vitalino Gonçalves
• Beneficiário: Renato Vitalino Gonçalves
• Instituição Sede: Instituto de Física de São Carlos (IFSC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Pesquisadores associados: Frank Erich Osterloh ; Jesum Alves Fernandes ; Washington Santa Rosa ; Yara Jaqueline Kerber Araujo
• Bolsa(s) vinculada(s): 23/15633-0 - Desenvolvimento de heterojunções hiperfinas a base de BiVO4 para reações fotoeletroquímicas, BP.PD
• Assunto(s): Energia renovável Energia solar Fotocatálise Fotossíntese artificial Semicondutores Hidrogênio Teoria de bandas
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Energia Solar | Energias Renováveis | fotocatalise | fotossíntese artificial | Hidrogênio verde | semicondutores | Semicondutores, estado sólido, teroria de bandas

Resumo

Hidrogênio verde (H2V) tem sido proposto como uma alternativa limpa para substituir os combustíveis fósseis no setor de transporte e geração de eletricidade, uma vez que seu uso em célula a combustível produz apenas vapor de água como subproduto. Hidrogênio tem a maior relação energia-peso comparado aos combustíveis fósseis, onde em 1 kg de H2 é possível converter até 30 kWh de energia útil, enquanto com a gasolina é possível obter 10 kWh/kg. Hidrogênio verde é aquele produzido a partir de fontes de energia limpa e renovável, sendo considerado o melhor candidato para a campanha "Race to Zero", que é uma agenda global, com metas para zerar as emissões líquidas de gases do efeito estufa até 2050. A fotossíntese artificial é um dos processos mais promissores para a geração de hidrogênio verde, uma vez que H2 é produzido pela quebra da molécula da água utilizando um material semicondutor e luz solar. No entanto, problemas intrínsecos dos materiais semicondutores, tais como alta recombinação de cargas, instabilidade e baixa difusão eletrônica são alguns dos responsáveis pelo baixo desempenho dos atuais dispositivos na fotossíntese artificial. Neste projeto, iremos concentrar nossos esforços no desenvolvimento de um dispositivo de dois eletrodos; semicondutor tipo-n e semicondutores do tipo-p, a base dos materiais n-BiVO4, p-CuO e p-Cu2O, respectivamente. Especificamente, iremos estudar a dopagem da estrutura do n-BiVO4, associado a formação de heterojunção com ferritas semicondutoras FeMOx (M = Ni, Mn), que apresentam grande potencial para melhorar as propriedades de transporte e separação de cargas, resultando na redução da taxa de recombinação do par elétron-buraco. Os semicondutores do tipo-p CuO e Cu2O são materiais abundantes e de baixo custo, que apresentam elevadas densidades de fotocorrentes teóricas de 7,5 mA/cm2 para BiVO4, 35 mA cm-2 para CuO e ~15 mAcm-2 para o Cu2O. Porém, apesar de possuir band gap na faixa de 1,2 - 2,0/eV, apresentam defeitos na estrutura eletrônica, que limitam a transferência de cargas, associado aos potenciais redox que tem energia entre as bandas de condução e valência, que inevitavelmente leva a ocorrência de autofotorredução ou auto-oxidação após a iluminação, que resulta em uma baixa estabilidade química, sendo uma barreira a ser superada. Neste projeto iremos aumentar a eficiência de transporte de cargas para a superfície, e contornar a instabilidade dos semicondutores do tipo P através de deposição de camadas hiperfinas (< 3 nm) e dopagem da estrutura eletrônica. O dispositivo final terá uma configuração de dois eletrodos dos materiais otimizados a base de n-BiVO4 e p-CuO/Cu2O com alta absorção de luz solar na região do espectro do visível, que proporcionará a produção de H2V via fotossíntese artificial sem polarização externa (zero bias). (AU)