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

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)