Development of sputtered BiVO4-CuO Tandem cells for bias-free solar water splitting (2023)
- Authors:
- Autor USP: RABELO, LUCAS GABRIEL - IFSC
- Unidade: IFSC
- Sigla do Departamento: FCM
- DOI: 10.11606/D.76.2023.tde-23062023-112249
- Subjects: ELETROQUÍMICA; SEMICONDUTORES (FÍSICO-QUÍMICA)
- Keywords: Bismuth vanadate; Célula Tandem; Divisão fotoeletroquímica da água; Heterojunções p-n; p-n heterojunctions; PEC water splitting; Semiconductors; Tandem cell; Vanadato de bismuto
- Agências de fomento:
- Language: Inglês
- Abstract: A divisão fotoeletroquímica da água emerge como uma técnica promissora para converter a abundante energia solar em hidrogênio verde (H2). Recentemente, o desenvolvimento de células Tandem baseadas em semicondutores óxidos metálicos estáveis e de baixo custo tem atraído muita atenção para a clivagem de moléculas de água no combustível H2, auxiliada somente por energia solar. No presente trabalho, fotoanodos de BiVO4/FeNiOx e fotocatodos de CuO foram sintetizados (via pulverização catódica) para realizar as meias reações de evolução de oxigênio (OER) e evolução de hidrogênio (HER) em um dispositivo Tandem simples e de baixo custo. Em particular, o fotoanodo BiVO4/FeNiOx totalmente pulverizado apresentou excelente desempenho fotoeletroquímico e estabilidade química para a OER, alcançando uma alta densidade de fotocorrente de +1.22 mA cm^[-2] e uma eficiência de transferência de cargas de 96% no potencial de oxidação da água. Em contraste, o fotocatodo de CuO totalmente pulverizado exibiu um desempenho fotoeletroquímico modesto para a HER, exibindo um potencial de onset em 1.03 V vs. RHE (eletrodo de hidrogênio reversível) e densidade de fotocorrente de 0.35 mA cm^[>-2] em +0.40 V vs. RHE. Nesse trabalho, nós também introduzimos um modelo baseado na teoria clássica de bandas para analisar o alinhamento interfacial de bandas dos fotoeletrodos sob condições de trabalho para a divisão fotoeletroquímica da água. Os resultados dos diagramas de bandas sob iluminação simuladademostraram que os buracos (elétrons) fotogerados no filme de BiVO4/FeNiOx (CuO) possuem energia suficiente para realizar a OER (HER) sem polarização externa. Conclusivamente, nosso dispositivo Tandem BiVO4/FeNiOx - CuO produziu uma densidade fotocorrente operacional estável de ~50 µA cm^[-2] sob iluminação AM 1.5G e polarização externa nula por pelo menos 1000 segundos, evidenciando a ocorrência das reações de divisão fotoeletroquímica da água livre de potenciais externos. Entretanto, nosso sistema Tandem proposto ainda está longe de atender aos requisitos para aplicações práticas devido à forte instabilidade química e baixa densidade de fotocorrente do filme de CuO. Portanto, estudos futuros devem ser direcionados para a produção de camadas protetoras, indução de heterojunções p-n e deposição de cocatalisadores para aumentar a estabilidade química e o desempenho fotoeletroquímico do filme de CuO. Em suma, nesse trabalho nós objetivamos propor uma metodologia escalável para a produção de células Tandem PEC à base de óxidos metálico, assim como introduzir ferramentas adequadas para analisar o alinhamento interfacial de bandas dos fotoeletrodos sob condições de trabalho durante a divisão fotoeletroquímica da água. Essa dissertação também discute minuciosamente as limitações fundamentais, os desafios atuais e as perspectivas de empregar dispositivos Tandem PEC para produzir hidrogênio verde como um portador de energia limpa e sustentável
- Imprenta:
- Publisher place: São Carlos
- Date published: 2023
- Data da defesa: 02.05.2023
- Status:
- Artigo possui versão em acesso aberto em repositório (Green Open Access)
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- Versão submetida (Pré-print)
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-
ABNT
RABELO, Lucas Gabriel. Development of sputtered BiVO4-CuO Tandem cells for bias-free solar water splitting. 2023. Dissertação (Mestrado) – Universidade de São Paulo, São Carlos, 2023. Disponível em: https://teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-23062023-112249/. Acesso em: 09 abr. 2026. -
APA
Rabelo, L. G. (2023). Development of sputtered BiVO4-CuO Tandem cells for bias-free solar water splitting (Dissertação (Mestrado). Universidade de São Paulo, São Carlos. Recuperado de https://teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-23062023-112249/ -
NLM
Rabelo LG. Development of sputtered BiVO4-CuO Tandem cells for bias-free solar water splitting [Internet]. 2023 ;[citado 2026 abr. 09 ] Available from: https://teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-23062023-112249/ -
Vancouver
Rabelo LG. Development of sputtered BiVO4-CuO Tandem cells for bias-free solar water splitting [Internet]. 2023 ;[citado 2026 abr. 09 ] Available from: https://teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-23062023-112249/ - Kondo screening and random singlet formation in highly disordered systems
- Desenvolvimento de filmes de CuWO4 e estudo das propriedades eletrônicas para aplicação na fotossíntese artificial
- Síntese e caracterização de nanotubos de hematita produzidos em aço carbono para fotossíntese artificial
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- Triggering synergy between p-type sputter-deposited FeMnOx or FeNiOx and w-doped BiVO4 for enhanced oxygen evolution
- A bias-free tandem photoelectrochemical cell of BiVO4-CuO for solar-driven water splitting
- Development of Tandem BiVO4-LaFeO3 cells for solar hydrogen production through artificial photosynthesis without external field application
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- Produção de H2 verde a partir da dissociação fotocatalítica da água utilizando a heterojunção p – n SrTiO3/NiO@Ni(OH)2
- Elucidação do alinhamento interfacial de bandas e aplicação fotoeletroquímica da heterojunção CuWO4/BiVO4
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