Preparation and characterization of titanate electrodes for solar energy conversion

As propriedades de eletrodos de filmes finos e porosos dos titanatos, H2Ti2O5; H2Ti4O9 e H2Ti8O17 foram investigadas, visando sua aplicação em dispositivos para conversão de energia solar. Os titanatos foram sintetizados por reações de estado sólido, pelo aquecimento de misturas de TiO2 e K2CO3 seguida por tratamento com HCl para a troca iônica e lavagem com água. Análises por Difração de Raios-X indicaram a presença dos precursores, sugerindo que a reação de estado sólido não foi completa. Dependendo das condições de síntese, obtiveram-se produtos com estrutura e morfologia muito distintos. O aquecimento de TiO2:K2CO3 2:1 a 640 °C por 8 horas resultou na mistura H2Ti2O5/H2Ti4O9, constituido por bastoes (100 nm de diâmetro, 500 nm de comprimento) e partículas esféricas. Bastões com mesmo diâmetro e comprimento de 5 mm foram observados para H2Ti4O9 (razão molar de reagentes 4:1, 800 °C por 20 horas). Para o H2Ti8O17, sintetizado a partir da razão 8:1 sob 1100 °C por 4 horas, observaram-se predominantemente folhas. A Energia de band gap foi estimada em 3,5 eV para o H2Ti2O5 e 3,2 eV para os outros titanatos. Filmes porosos dos titanatos foram depositados em eletrodos transparentes. Na ausência de irradiação, em solução aquosa de Na2SO4 0,1 M, os eletrodos apresentaram corrente capacitiva baixa e reações de desprendimento de hidrogênio e de oxigênio em -0,1 V e 1,3V; em K4Fe(CN)6, observou-se a reversibilidade da reação redox apenas em velocidades de varredura < 10mV.s. Sob irradiação policromática, os eletrodos apresentaram fotocorrente positiva e potencial de circuito aberto negativo, comportamento típico de semicondutor de tipo-n. No estudo de possíveis aplicações para o eletrodo de H2Ti4O9, observou-se baixa atividade fotocatalítica para a degradação de fenol. Este eletrodo apresentou, porém, alta adsorção para um corante de rutênio, resultado promissor para aplicação em células solares de semicondutor sensibilizado por corante.Thin porous films electrodes of titanates H2Ti2O5, H2Ti4O9 and H2Ti8O17 were prepared and investigated. The titanates were synthesized through solid state reactions by heating mixtures of TiO2 and K2CO3; after HCl treatment for ion exchange, the samples were rinsed with water. X-ray diffraction and scanning electron microscopy indicated that, depending on the synthesis conditions, different titanates were obtained. Also, precursors were identified, meaning the solid state reaction was not complete. Heating of TiO2:K2CO3 2:1 at 640 °C for 8 hours resulted on the mixture H2Ti2O5/H2Ti4O9, composed by rods (100 nm diameter, 500 nm length) and spherical particles. Rods with the same diameter and 5 mm length were observed for H2Ti4O9 (molar ratio of reagents 4:1, 800 °C for 20 hours). For H2Ti8O17, synthesized from ratio 8:1 at 1100 °C for 4 hours, mainly sheets were observed. Band gap energy was estimated at 3,5 eV for H2Ti2O5/H2Ti4O9 and 3,2 eV for the others titanates. Thin porous films of titanate were deposited on transparent electrodes. In the dark, the electrodes presented low capacitive current and hydrogen and oxygen evolution reactions at -0,2V and 1,4V (vs. Ag/AgCl) in Na2SO4 0,1 M aqueous solution; also, the reversibility of redox reaction in K4Fe(CN)6, was observed only at slow scanning rates. Under polychromatic irradiation, the electrodes presented positive photocurrents and negative open circuit potential, a typical behavior of n-type semiconductor. Studies of possible applications for the H2Ti4O9 electrode revealed low activity for phenol photocatalytic degradation. Nevertheless, this electrode showed high adsorption of a ruthenium-based dye, a promising result for application on dye-sensitized solar cells