Desenvolvimento de Materiais Nanoestruturados para Aplicação em Conversores de Energia e Produção de Hidrogênio

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Latino-Americano de Infraestrutura, Tecnologia e Território da Universidade Federal da Integração Latino-Americana, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Química. Orientador: Prof. Dr. Márcio de Sousa GóesA busca por fontes alternativas de energia, principalmente matrizes renováveis, vem cres- cendo junto com a evolução industrial. Nesse contexto, o desenvolvimento de novos mate- riais para a produção de energia e combustível é fundamental para proporcionar o desenvol- vimento de novos dispositivos, mais eficientes, econômicos e ecológicos. As células solares sensibilizadas por corante são uma alternativa às células solares tradicionais, feitas de silício cristalino de elevada pureza, o principal atrativo desta tecnologia é o uso de matérias alter- nativos, em especial óxidos semicondutores, que têm menor custo de produção. Dentro des- tes semicondutores, o óxido de zinco (ZnO) chama a atenção devido as suas propriedades, em especial a mobilidade eletrônica, entretanto ainda apresenta diversas limitações quanto à estabilidade ao ser aplicado nos dispositivos solares sensibilizados por corante. Uma alter- nativa para otimizar os dispositivos solares é a otimização morfológica e estrutural do ZnO, que pode ser feita a partir da incorporação de líquido iônico (LI) durante a síntese do mate- rial. Neste trabalho foram sintetizadas amostras de ZnO com diferentes concentrações do LI TEA-PS.BF 4 (sigla do inglês 3-triethylammonium-propanesulfonic acid tetrafluoroborate) incorporado. A via de síntese escolhida foi a hidrotermal, por suas condições favoráveis de aplicação em larga escala. Os líquidos iônicos foram utilizados na síntese do ZnO em con- centrações de 5 e 15% (m/m), a 180 oC por 55 horas. Todas as amostras apresentaram uma única fase, confirmada pela análise de difração de raios X. Realizou-se o refinamento da estrutura cristalina pelo método de Rietveld e foi observado que o LI influência no tamanho do cristalito, na microdeformação e nos parâmetros da cela unitária. A partir dos pós sinteti- zados preparou-se uma pasta de cada uma das amostras e essas foram aplicadas, por deposi- ção mecânica, em um substrato de óxido condutor transparente. Ao caracterizar os filmes observou-se um aumento da porosidade para a amostra com 5% de líquido iônico e analo- gamente um aumento do tamanho médio dos poros. A espectroscopia Raman dos filmes mostrou um aumento do tamanho do cristalito com o aumento da concentração do líquido iônico, reafirmando os resultados observados no refinamento da estrutura cristalina. A ca- racterização eletroquímica das células evidenciou a melhoria do fotoânodo com 5% de LI, que apresentou uma eficiência de 2,23% e densidade de corrente de ~7 mA.cm - 2. Em com- paração, o fotoanodo sem LI apresentou uma eficiência de 1,93% e densidade de corrente de ~4 mA.cm - 2. Observou-se, por meio da espectroscopia de impedância eletroquímica, que o líquido iônico contribuiu para a redução da resistência interna de transferência de carga do dispositivoThe prospect of alternative sources of energy, especially renewable sources, has been grow- ing along with industrial evolution. Therefore, research of new materials for energy and fuel production are fundamental for the development of more efficient, economical and ecologi- cal energy devices. Dye sensitized solar cells are an alternative to traditional solar cells, made of high purity crystalline silicon, since it uses alternative materials, like semiconductor oxides, which have lower costs of production. About the semiconductors, zinc oxide (ZnO) is a research trend due to its properties, in particular, electronic mobility, though it still has a limitation related to its stability when applied in dye cells. An alternative to solar cells optimization is a morphological and structural modification of ZnO, which can be made by incorporation of ionic liquid during the synthesis of the material. In this paper were made samples of ZnO with different compositions of the ionic liquid (IL) TEA-PS.BF 4 (3-tri- ethylammonium-propanesulfonic acid tetrafluoroborate) incorporated to the synthesis. The chosen route of synthesis was hydrothermal, due to an easy application on a large-scale pro- duction. Three samples were made, Z0 (no LI), Z05 (5% LI) and Z15 (15% LI), all the sam- ples were synthesized at 180 °C for 55 hours. The three samples showed one phase in X- rays diffraction analysis. The structure crystalline the samples were refined by the Rietveld method and it was observed that the IL influences the crystallite size, the microstrain, and cell unit parameters as ionic liquid concentration increases. To apply the samples to solar cells, a paste was prepared from each sample and these pastes were applied by mechanical deposition on a substrate. The films characterization showed an increase of porosity in the sample with 5% of IL and an increase of the average size of the pores. Raman spectroscopy showed an increase of crystallite size as ionic liquid concentration increases, reaffirming the results of the Rietveld method. The electrochemistry characterization of the cells showed an improvement of the photoanode with 5% IL, which had an efficiency of 2,23% and a current density of 7,13 mA.cm -2 , in comparison with the photoanode without IL, Z0, which had an efficiency of 1.93% and a current density of 4.11 mA.cm -2 . It was observed, through elec- trochemical impedance spectroscopy, that the ionic liquid increases the resistance of charge transfer in the device