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Engenharia das interfaces de eletrodos de hematita para oxidação da água assistida pela luz do sol

Processo: 19/01470-7
Linha de fomento:Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
Vigência (Início): 01 de agosto de 2019
Vigência (Término): 31 de julho de 2021
Área do conhecimento:Ciências Exatas e da Terra - Física - Física da Matéria Condensada
Pesquisador responsável:Flavio Leandro de Souza
Beneficiário:Dereck Nills Ferreira Muche
Instituição-sede: Centro de Ciências Naturais e Humanas (CCNH). Universidade Federal do ABC (UFABC). Ministério da Educação (Brasil). Santo André , SP, Brasil
Vinculado ao auxílio:17/11986-5 - Divisão de Pesquisa 1 - portadores densos de energia, AP.PCPE
Assunto(s):Hematita   Nanociência   Energia solar

Resumo

O foco desta proposta é a síntese e caracterização de eletrodos ultrafinos e finos de óxido de ferro na fase hematita (30 - 100 nm) puros e modificados pela deposição de diferentes óxidos de metais de transição (ex.: SnO2, TiO2, etc.). Os eletrodos de filmes ultrafinos de hematita puros e modificados serão obtidos a partir da síntese da solução alcoólica sol-gel do poliéster complexado com os íons Fe+3, pela rota sintética de Pechini e depositados pela técnica "spin coating". Esta metodologia foi escolhida devido à ausência de complexidade (aparatos sofisticados), boa reprodutibilidade e potencial escalonamento para indústria. O sucesso dos eletrodos nanoestruturados de óxido de metálicos, tais como hematita, serão avaliados quanto ao ganho na eficiência da conversão da radiação solar em oxigênio e hidrogênio a partir da fotoeletrólise da água. Portanto, este projeto de pesquisa terá como foco na primeira parte: a preparação e a engenharia na nanoestruturação de interfaces da hematita; utilizando técnicas de espectroscopia de impedância elétrica e eletroquímica (simulando o ambiente de aplicação, no escuro e sob iluminação), será investigado o transporte de carga entre as interfaces (substrato-camada semicondutora e camada condutora-eletrólito) de forma a complementar a dinâmica de transporte de carga na interface e será avaliada por espectroscopia de absorção transiente; os processos e transformações na superfície durante operação serão monitorados por foto-espectro-eletroquímica e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X, além de técnicas de microscopia de força atômica, transmissão e varredura. Para melhor compreensão dos mecanismos de transporte de carga, uma das principais limitações do óxido de ferro (hematite), colaborações com grupo de simulação estão programadas neste e já em andamento nos últimos dois anos. A segunda parte consiste na fabricação de eletrodos otimizados de hematita com grandes dimensões para aplicação industrial. Esta etapa trabalhará em sinergia com investigação fundamental, onde as características dos eletrodos de escala laboratorial serão comparadas com protótipos de grandes dimensões. Esta etapa será realizada no laboratório de Nanoquímica do Prof. Dr. Sanjay Mathur no Instituto de Química Inorgânica da Universidade de Colônia. Por fim, esse projeto é vinculado ao processo Shell-FAPESP (proc. 17/11986-5), mais especificamente com a Divisão 1 (Portadores densos de carga), em que o foco central é a compreensão das características fundamentais de transporte de carga na interfaces, bem como as propriedade de óticas, estruturais e morfológicas. Além disso, fomentar colaborações com grupos de grande reconhecimento internacional como o caso dessa proposta poderá trazer a tecnologia de protótipos dos dispositivos fotoeletroquímicos utilizando esses semicondutores aqui produzidos. Os trabalhos experimentais serão conduzidos prioritariamente no Laboratório de Energia Alternativa e Nanomateriais (LEAN) da UFABC, algumas caracterizações no grupo da Profa Nogueira, IQ-Unicamp e a segunda etapa que envolve a fabricação o protótipo será na Alemanha, sob supervisão do Prof. Mathur.