Filmes finos de ZnFe2O4 com nanoestruturas de níquel depositadas por magnetron sputtering para fotossíntese artificial

Abstract

O aumento das temperaturas globais e as crises ambientais têm impulsionado a procura de soluções energéticas sustentáveis, como o hidrogênio verde produzido a partir da água usando um sistema fotoeletroquímico (PEC). Recentemente, a ferrita de zinco (ZnFe2O4 ) recebeu foco como promissor candidato a fotoeletrodo na produção de H2 , sendo um material abundante, de baixo custo, não tóxico e com boa estabilidade química. Para otimizar a fotocorrente da ferrita de zinco, é necessário sintetizá-la de forma a reduzir a taxa de recombinação dos pares elétron-buraco e melhorar o transporte e a separação de carga. A adição de co-catalisadores, como nanopartículas de NiOx (óxido de níquel), pode aumentar essa fotocorrente, tornando o processo mais viável em larga escala. Neste trabalho, filmes finos de ZnFe2O4 foram sintetizados a partir de nanobastões de β-FeOOH obtidos sob substratos de FTO com posterior deposição de Zinco, seguido de calcinação. Além disso, foi empregado um tratamento térmico em atmosfera redutora (H2 ) para induzir vacâncias de oxigênio visando controlar a deposição de co-catalisadores. Co-catalisadores de NiOx foram depositados pelo processo de magnetron sputtering, utilizando diferentes tempos de deposição. A caracterização dos filmes foi realizada por Difração de Raios-X (DRX), espectroscopia na região do UV-Vis, Espectroscopia de Fotoelétrons excitados por Raios-X (XPS), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e, para confirmar a presença do co-catalisador, Emissão de Raios-X Induzida por Partículas (PIXE). Para estimar a produção de H2 , foram realizadas medidas de Voltametria Linear (LSV). Filmes hidrogenados a 200 °C apresentaram maior densidade de fotocorrente devido à proporção adequada de vacâncias de oxigênio.

Rising global temperatures and environmental crises have driven the search for sustainable energy solutions, such as green hydrogen obtained from water splitting by using a photoelectrochemical (PEC) system. Recently, zinc ferrite (ZnFe2O4 ) emerged as a promising candidate as a photoelectrode for H2 production, being considered abundant, low-cost, non-toxic materials with good chemical stability. To optimize the photocurrent of zinc ferrite, it must be synthesized in a way that reduces the recombination rate of electron-hole pairs and improves charge transport and separation. Loading of co-catalysts, such as NiOx (nickel oxide) nanoparticles, can increase this photocurrent, making the process more viable on a large scale. In this work, ZnFe2O4 thin films were synthesized from β-FeOOH nanotubes grown on FTO substrates with subsequent deposition of Zinc and followed by calcination. Furthermore, a thermal treatment in a reducing atmosphere (H2) was employed to induce oxygen vacancies in order to control the deposition of co-catalysts. NiOx co-catalysts were deposited by magnetron sputtering using different deposition times. Films characterization was carried out using X-ray diffraction (XRD), UV-Vis spectroscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), and Scanning Electron Microscopy (SEM), using Particle Induced X-Ray Emission (PIXE) analysis to confirm the co-catalyst loading. Linear Sweep Voltammetry (LSV) measurements were carried out to estimate H2 production capability. Films hydrogenated at 200°C showed higher photocurrent density due to an adequate proportion of oxygen vacancies. The deposition of co-catalysts improved photocurrent at low potentials, however, addition of Ni at high potentials was ineffective, causing recombination centers and reducing efficiency, as confirmed by PIXE analysis, which indicated a high concentration of Ni. O aumento das temperaturas globais e as crises ambientais têm impulsionado a procura de soluções energéticas sustentáveis, como o hidrogênio verde produzido a partir da água usando um sistema fotoeletroquímico (PEC). Recentemente, a ferrita de zinco (ZnFe2O4 ) recebeu foco como promissor candidato a fotoeletrodo na produção de H2 , sendo um material abundante, de baixo custo, não tóxico e com boa estabilidade química. Para otimizar a fotocorrente da ferrita de zinco, é necessário sintetizá-la de forma a reduzir a taxa de recombinação dos pares elétron-buraco e melhorar o transporte e a separação de carga. A adição de co-catalisadores, como nanopartículas de NiOx (óxido de níquel), pode aumentar essa fotocorrente, tornando o processo mais viável em larga escala. Neste trabalho, filmes finos de ZnFe2O4 foram sintetizados a partir de nanobastões de β-FeOOH obtidos sob substratos de FTO com posterior deposição de Zinco, seguido de calcinação. Além disso, foi empregado um tratamento térmico em atmosfera redutora (H2 ) para induzir vacâncias de oxigênio visando controlar a deposição de co-catalisadores. Co-catalisadores de NiOx foram depositados pelo processo de magnetron sputtering, utilizando diferentes tempos de deposição. A caracterização dos filmes foi realizada por Difração de Raios-X (DRX), espectroscopia na região do UV-Vis, Espectroscopia de Fotoelétrons excitados por Raios-X (XPS), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e, para confirmar a presença do co-catalisador, Emissão de Raios-X Induzida por Partículas (PIXE). Para estimar a produção de H2 , foram realizadas medidas de Voltametria Linear (LSV). Filmes hidrogenados a 200 °C apresentaram maior densidade de fotocorrente devido à proporção adequada de vacâncias de oxigênio. A deposição de co-catalisadores melhorou a fotocorrente em baixos potenciais, no entanto, a adição de Ni em altos potenciais foi ineficaz, causando centros de