Produção e caracterização de fotoeletrodos à base de rutênio e níquel depositados sobre BiVO4

Abstract

Fotoeletrodos de semicondutores de óxidos metálicos como o BiVO4, com propriedades adequadas para desencadear reações PEC sob iluminação solar, são bastante usados para testar abordagens de modificação e junção de materiais, melhorias em processos de fabricação, e na proposição de processos mais seguros, fáceis de executar e que melhorem seu desempenho fotoeletroquímico. As rotas normalmente usadas para a deposição de materiais cocatalisadores, como os óxidos de rutênio e de níquel, na superfície de fotoeletrodos são complexas, podendo inclusive envolver riscos ao operador. Neste trabalho, foram produzidos e caracterizados fotoeletrodos à base de rutênio e níquel depositados sobre filmes de BiVO4 monoclínico e sobre m-BiVO4 acoplado a camadas de óxido de tungstênio e óxido de estanho. A técnica usada para a deposição dos metais foi o magnetron sputtering DC, de fácil operação, baixo custo e boa reprodutibilidade. Os fotoeletrodos produzidos foram caracterizados por DRX, MEV, UV-Vis, RBS, XPS e medidas de voltametria. Avaliou-se, o desempenho fotoeletroquímico de amostras de óxidos metálicos com SnO2, WOx e BiVO4 sem e com Ru e Ni submetidas a tratamento térmico em ar e a tratamento eletroquímico. Também foram estudadas as alterações morfológicas e químicas de uma amostra com Ni eletroquimicamente tratada por séries de voltametrias cíclicas (CV) em eletrólito de buffer de fosfato (pH 6,7). O efeito do tratamento eletroquímico nas amostras foi estudado por análises de XPS e imagens de MEV de amostras sem tratamento por CV, durante e ao final dos ciclos. As amostras com deposição de 3s Ru sobre BiVO4 tratadas termicamente, e as amostras com Ni depositado por 50, 100 e 200 s tratadas eletroquimicamente mostraram de forma geral melhoria nos valores de densidade de corrente produzidos.

Semiconducting metal oxide photoelectrodes such as the BiVO4, with suitable properties to trigger off PEC reactions under sunlight, are commonly applied for testing approaches for modifying materials towards better overall PEC performance, like the junctions of materials or the improvement of fabrication processes, by making them safer and easier to perform. The conventional deposition routes used for the deposition of cocatalysts, such as the ruthenium and nickel oxides, on the photoelectrode surface are complex, involving even occupational risk. In this work, photoelectrodes based on the deposition of ruthenium and nickel onto monoclinic BiVO4 films and onto m-BiVO4 coupled with tungsten oxide and tin oxide layers were fabricated. The technique used for the deposition of the metals was magnetronsputtering DC, which is user friendly, has low operational cost and has good reproducibility. The photoelectrodes produced were characterized via XRD, SEM, UV-Vis, RBS, XPS and voltammetry techniques. It was studied the photoelectrochemical performance of samples containing SnO2, WOx and BiVO4 with and without Ru and Ni under thermal treatment in air or electrochemically treated. The morphological and chemical modifications induced by an electrochemical treatment cyclic voltammetry (CV), in phosphate buffer solution (pH 6,7), in a sample with Ni were investigated. The effect of the electrochemical treatment was also studied by XPS analysis and SEM images of samples untreated, during the treatment, and by the end of the cycles. The samples with 3s of Ru deposited onto BiVO4 thermally treated and those with Ni deposited for 50, 100 and 200s electrochemically treated have shown an overall improvement in the current density values produced.