Estudo comparativo de filmes finos de sulfeto de bismuto para aplicação fotoeletrocatalitica

Abstract

O presente trabalho tem como objetivo a avaliação dos parâmetros de síntese e a caracterização de filmes finos de Bi2S3 com o propósito de investigar sua eficiência como fotoeletrocatalisador na produção de hidrogênio verde indireta a partir da desassociação da molécula de água. Os filmes de Bi foram depositados por Magnetron Sputtering e depois transformadas em Bi2S3 por sulfurização. Além de transformar os filmes de Bi para Bi2S3 direto por sulfurização os filmes de Bi foram oxidados em forno de mufla e depois foram sulfurizadas. No trabalho será avaliada a capacidade do semicondutor de efetuar a fotoeletrocatálise da água com a atuação de um reagente de sacrifício (Na2S), tendo como foco a comparação entre a síntese direta, e na síntese que possui como etapa intermediária a calcinação, de modo a observar as diferenças de resultados que podem ser obtidas por meio de dois síntese diferentes. Os resultados obtidos permitiram identificar a espessura mais adequada do Bi2S3 e a temperatura de calcinação mais favorável para maximizar sua atividade fotocatalítica, contribuindo para o desenvolvimento de materiais fotoeletrocatalíticos mais eficientes e sustentáveis. Em comparação com Bi oxidado, os filmes de Bi utilizados diretos para síntese de Bi2S3 produziram melhor fotocorrente que pode ser relacionado os defeitos induzidos por oxigênio. As análises apontaram que o filme de melhor desempenho foi o BiS_200, obtido através da sulfurização direta de uma camada de bismuto metálico com espessura intermediária de 200 nm. Em comparação com os filmes calcinados, o BiS_200 alcançou uma densidade de corrente de 4,9 mA/cm2, demonstrando resultados superiores às demais rotas sintéticas.

This study aims to assess synthesis parameters and characterize thin films of Bi2S3 to investigate their efficiency as a photoelectrocatalyst in the indirect production of green hydrogen through water molecule dissociation. The Bi films were deposited using Magnetron Sputtering and subsequently transformed into Bi2S3 through sulfurization. In addition to direct sulfurization, the Bi films were oxidized in a muffle furnace and then sulfurized. The study evaluates the semiconductor’s ability to perform photoelectrocatalysis of water in the presence of a sacrificial reagent (Na2S), focusing on comparing direct synthesis to a process that includes an intermediate calcination step. This comparison aims to observe differences in results obtained through these two different synthesis routes. The results have allowed us to identify the most suitable thickness for Bi2S3 and the optimal calcination temperature to maximize its photocatalytic activity, contributing to the development of more efficient and sustainable photoelectrocatalytic materials. Compared to oxidized Bi, the directly used Bi films for Bi2S3 synthesis produced better photocurrent, which can be related to oxygen-induced defects. The analyses indicated that the best-performing film was BiS_200, obtained through the direct sulfurization of a metallic bismuth layer with an intermediate thickness of 200 nm. Compared to the calcinated films, BiS_200 achieved a current density of 4.9 mA/cm2, demonstrating superior results compared to other synthetic routes.