Fotocatodos de Cu2O

Abstract

Esta tese trata da síntese e caracterização de fotocatodos de óxido de cuproso (Cu2O) com finalidade de aplicação na produção de hidrogênio a partir da eletrólise da água. O Cu2O é um semicondutor tipo ?p? com a energia do gap de 2,17 eV, o que torna favorável seu uso como fotocatodo para grande parte do espectro solar. Porém, muitos trabalhos tem mostrado a baixa eficiência e ocorrência de reações de oxidação e redução que degradam o fotocatodo de Cu2O. Com objetivo de obter valores maiores para a fotocorrente e aumentar a estabilidade do Cu2O em meio aquoso foram realizados tratamento térmico e revestimento com hidróxido de Niquel (Ni(OH)2). Com esse objetivo, filmes de Cu2O, foram obtidos por eletrodeposição com controle do pH do eletrólito ajustado de 9 a 12. O teste fotoeletroquímico, realizado com filtro padrão AM1,5G, foi referência para esse trabalho, somado com as aplicações de técnicas de medidas de Difração de Raios X, Espectroscopia de Fotoelétrons Excitados por raios X, Espectroscopia de Impedância Eletroquímica, Microscopia Eletrônica de Varredura, medidas Voltametria Cíclica e medições de massa pela balança de quartzo. Os testes fotoeletroquímicos mostraram aumento significativo da fotocorrente com o tratamento térmico atingindo valores de eficiência comparáveis com trabalhos da literatura. Filmes eletrodepositados em pH 12 apresentam menor oxidação em potenciais positivos e maior fotocorrente catódica em potencias negativos. O revestimento de Ni(OH)2 mostrou ser muito eficaz em reduzir a oxidação do Cu2O e também em aumentar a fotocorrente catódica.

Abstract : This thesis deals with the synthesis and characterization of cuprous oxide (Cu2O) photocathodes for application in the production of hydrogen from the electrolysis of water. The Cu2O is a 'p' type semiconductor with a band gap energy of 2.17 eV, which makes favorable its use as photocathode for great part of the solar spectrum. However, many studies have shown the low efficiency and occurrence of oxidation and reduction reactions that degrade the Cu2O photocathode. In order to obtain higher values for the photocurrent and to increase the stability of Cu2O in aqueous medium, a heat treatment and coating with nickel hydroxide (Ni(OH)2) were carried out. With this objective, Cu2O films were obtained by electrodeposition with electrolyte pH adjusted from 9 to 12. The photoelectrochemical test, performed with AM1.5G standard filter, was a reference for this work, together with X-ray Diffraction measurements, X-ray Photoelectron Spectroscopy, Electrochemical Impedance Spectroscopy, Scanning Electron Microscopy, Cyclic Voltammetry measurements and mass measurements using a quartz balance. The photoelectrochemical tests showed a significant increase of the photocurrent with the thermal treatment reaching values of efficiency comparable with works in the literature. Electrodeposited films at pH 12 presented less oxidation in positive potentials and higher cathodic photocurrent at negative potencies. The coating with Ni(OH)2 showed to be very effective in reducing the oxidation of Cu2O and also increasing cathodic photocurrent.