O desenvolvimento de fotoeletrodos para quebra da molécula de água assistida pela luz solar é um desafio para os cientistas de materiais na busca por alternativas viáveis de descarbonização da matriz energética mundial e dos processos industriais em geral. Esta proposta de pesquisa de estágio tem como objetivo a produção de fotocatodos à base de óxido de cobre, empregando o método de síntese da solução precursora polimérica (SPP) utilizado para produção de fotoanodos à base de hematita no projeto principal vinculado a esta proposta. Considerando a instabilidade química do óxido de cobre em dispositivos fotoeletroquímicos (PEC), este projeto também busca projetar camadas protetoras usando diferentes métodos de deposição (ALD, CVD, mfCVD, PVD, etc) para mitigar a fotocorrosão do óxido de cobre. Além disso, uma investigação sobre o papel das diferentes estruturas e morfologias destas camadas na resposta fotoeletroquímica será realizada juntamente com testes de estabilidade dos fotocatodos à base de óxido de cobre. Complementarmente ao desenvolvimento de fotoanodos de hematita no projeto principal, a produção de fotocatodos eficientes e estáveis pode ser um passo em frente rumo a dispositivos PEC "tandem" que funcionem sem a aplicação de potencial externo.

Os sistemas de conversão de energia solar, tais como as células fotoeletroquímicas e fotovoltaicas, têm-se destacado como uma abordagem ambientalmente amigável para a obtenção dos dois mais populares portadores de energia utilizados em nosso dia a dia, ou seja, o combustível e a eletricidade. Para se tornarem a forma principal de obtenção de energia, os materiais semicondutores empregados nesses sistemas devem absorver a energia solar de maneira eficaz, bem como apresentar um processo eficiente de geração, separação e transporte dos portadores de carga. Dentre os materiais semicondutores considerados, o sulfeto de antimônio(III) (Sb2S3) ganhou recentemente considerável atenção para aplicação em células fotoeletroquímicas/fotovoltaicas devido às suas propriedades optoeletrônicas únicas e comportamento de transferência de carga anisotrópico, i.e., o transporte de portadores de carga fotogerados é mais eficiente ao longo da direção [hk1]. Apesar destas vantagens, a recombinação elétron-buraco é um fator limitante para as aplicações acima mencionadas. Neste projeto, busca-se resolver/minimizar esse problema por meio de um sistema de multicamadas empilhadas constituído de NiOx/(Sb2S3 orientado na direção [hk1])/(In2S3 ou ZnS), o qual possui alinhamento de bandas adequado que favorece a separação e transporte dos portadores de carga. Para obter uma compreensão aprofundada desses processos fotoinduzidos dos portadores de carga e avaliar o efeito da presença de defeitos no sistema de multicamadas, será empregado a espectroscopia de fototensão de superfície, que é uma técnica encontrada exclusivamente no Grupo Osterloh na UC Davis. O sistema de multicamadas será fabricado por metodologias econômicas de deposição de filmes em fase líquida (i.e., spin-coating/eletrodeposição/deposição por banho químico) e será aplicado para geração de H2 por meio da decomposição da água impulsionada pela energia solar e aplicação em células fotovoltaicas. Em suma, este trabalho apresenta novas estratégias para impulsionar ainda mais a aplicação comercial de filmes de Sb2S3 em tecnologias de conversão de energia solar. (AU)

A amônia (NH3) é um dos compostos químicos mais utilizados na era contemporânea devido a sua ampla gama de aplicações como precursor de compostos nitrogenados nas indústrias agrícola, farmacêutica e têxtil. No entanto, a produção industrial de NH3 depende do processo Haber-Bosch, que não só consome muita energia, mas também emite grandes quantidades de gases de efeito estufa. Portanto, a redução fotoeletroquímica de N2 dissolvido em NH3 em meio aquoso usando água como fonte de hidrogênio pode fornecer uma alternativa ambientalmente benigna e sustentável para a síntese de NH3. Nesse contexto, esta solicitação de estágio de pesquisa no exterior propõe produzir NH3 a partir da redução de N2 utilizando um sistema fotoeletroquímico inovador, mais econômico e menos impactante ao meio ambiente. Portanto, elétrons fotogerados a partir da separação da água serão produzidos usando novos materiais semicondutores baseados em heterojunções (±)Fe2O3/g-C3N4 decoradas com nanopartículas de Ag suportadas em filmes de polímero de microporosidade intrínseca (PIM). Os materiais que serão utilizados no compartimento catódico serão os previamente preparados no Brasil, compostos de MoS2-Fe suportado em um eletrodo de camada de difusão de gás (GDL) que tem mostrado resultados promissores para redução eletroquímica de N2 a NH3 à pressão atmosférica e temperatura ambiente. Parâmetros importantes do processo combinado serão avaliados, como potencial aplicado, composição do eletrólito e carga do catalisador. A produção de NH3 será monitorada por espectroscopia UV-Vis, cromatografia gasosa (GC) e ressonância magnética nuclear de prótons (H1 NMR). Finalmente, o desenvolvimento de tecnologias mais econômicas e sustentáveis é um tema de grande interesse para a comunidade científica. (AU)

O tungstato de cobre (CuWO4) é um semicondutor com um bandgap de 2,3 eV usado em baterias de lítio, sensores, aplicações fotoeletroquímicas (PEC) e fotocatalíticas (PC). Para usar com sucesso filmes finos desses materiais como fotoeletrodos PEC, sua fotocorrente e fotovoltagem precisam ser otimizadas. Essa otimização envolve o conhecimento de suas superfícies e interfaces com os eletrólitos. Este problema altamente complexo é ainda mais complicado pelo fato de que os processos de transferência de carga nas interfaces sólido-líquido ocorrem na presença de luz. Para resolver este problema, a deposição e otimização de filmes de CuWO4 e os testes correspondentes para aplicações de PEC são propostos aqui. O objetivo é entender melhor as interfaces dos filmes com o eletrólito na presença de luz, otimizar a composição dos materiais e avaliar sua eficiência em processos fotoeletroquímicos. A técnica de co-sputtering reativo, utilizando alvos metálicos independentes de Cu e W, operando simultaneamente, foi escolhida para depositar os filmes por proporcionar um bom controle da estequiometria, e por permitir o crescimento em grandes áreas. O oxigênio será introduzido usando diferentes proporções de O2 na mistura Ar mais O2 do gás de trabalho. Deposições sob modulação de fluxo de O2 também serão feitas com o objetivo de criar homojunções CuWO4/CuWO4-x. Espera-se que essas camadas desprovidas de oxigênio (CuWO4-x) tenham estados doadores e produzam mudanças no potencial elétrico embutido do material nas regiões de superfície e interface, o que pode favorecer a separação entre os portadores fotogerados, aumentando a eficiência do dispositivos. Testes fotoeletroquímicos serão usados para caracterizar a atividade dos filmes de CuWO4 para oxidação de água. A espectroscopia de fotovoltagem de superfície com uma ferramenta disponível apenas no laboratório Osterloh na UC Davis será usada para observar a fotovoltagem dos filmes sob vácuo ou em eletrólitos líquidos em função do comprimento de onda da iluminação. Isso fornecerá informações sobre os portadores de carga, defeitos e a fotovoltagem interna. (AU)