[pt] O estudo a respeito de homojunções e heterojunções se apresenta como de grande interesse científico e tecnológico, pois os mecanismos de formação e de atuação dessas estruturas ainda não são plenamente conhecidos. Essas junções estão na base de diferentes tecnologias, tais como, diodos, transistores, capacitores e supercapacitores, varistores, células fotovoltaicas, detectores de luz UV, diversos tipos de sensores, catalisadores e fotocatalisadores, entre outros. A presente tese de doutorado visa contribuir para o desenvolvimento de sistemas cerâmicos policristalinos (micro e nanoestruturados) à base de ZnO e SnO2 e para a compreensão dos mecanismos de formação das homojunções e heterojunções presentes nesse sistema material e suas relações com o comportamento varistor, em termos da estabilidade e degradação dessas junções. Microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia de raios-X por dispersão de energia e difração de raios-X foram utilizadas para a caracterização microestrutural. Análises térmica e dilatométrica foram utilizadas para a determinação dos parâmetros e mecanismos de densificação e sinterização que dão origem às junções consideradas. Para a determinação das características elétricas foi utilizada a análise de capacitância e levantamento das curvas de polarização. Em função das composições químicas avaliadas foram obtidas microestruturas composta por homojunções e heterojunções, com diferentes níveis de densificação e características varistoras, ou seja, comportamento não-linear entre tensão e corrente elétrica, com tensões de chaveamento de diferentes magnitudes, permitindo relacionar o comportamento eletrotérmico dos varistores com as características das homojunções e heterojunções consideradas. / [en] The study about homojunctions and heterojunctions has scientific and technological value, because the mechanisms of formation and performance of these structures are not fully known. These junctions are in the base of different technologies, such as diodes, transistors, capacitors and supercapacitors, varistors, photovoltaic cells, detector of UV light, many kinds of sensors, catalysts and photocatalysts, among others. The present thesis aims to contribute to the development of polycrystalline ceramic systems (micro and nanostructured) based on ZnO and SnO2 and to the understanding ofthe mechanisms of formation of homojunctions and heterojunctions present in these systems and their relations with the varistor behavior, in terms of stability and degradation. Scanning electron microscopy, X-ray energy dispersive spectroscopy and X-ray diffraction were used to the microstructural characterization. Thermal and dilatometric analyses were used to determine the parameters and mechanisms of densification and sintering that give rise to the junctions considered. For the determination of the electrical characteristics, analysis of capacitance and polarization curves were used. Depending on the chemical compositions a variely of microstructures were obtained containing homojunctions and heterojunctions, with different densification levels and distinct varistors characteristics, that it, nonlinear behavior between voltage and electric current, with different magnitudes of switching voltages permitting to correlate the electrothermal behavior of varistors with the characteristics of homojunctions and heterojunctions considered.

[pt] Heteroestruturas sensíveis à luz solar possuem grande potencial em diferentes aplicações direcionadas a um futuro limpo e sustentável, como a fotoprodução de hidrogênio (H2) e a remediação ambiental. No contexto da fotocatálise, o dióxido de titânio (TiO2) desempenha um papel crucial devido à sua ampla gama de aplicações, excelente estabilidade química, baixa toxicidade e custo relativamente baixo. No entanto, o TiO2 puro possui algumas desvantagens, como uma alta taxa de recombinação e baixa sensibilidade à luz solar, o que limita sua eficiência em aplicações fotocatalíticas. Portanto, o desenvolvimento contínuo de novos materiais com o objetivo de superar essas desvantagens é obrigatório. Entre as abordagens reportadas para superar as deficiências do TiO2 puro está a formação de heterojunções com outros semicondutores, melhorando a separação de cargas e, portanto, a eficiência fotocatalítica. Óxidos de níquel e óxidos de cobre são relatados como alternativas promissoras para a formação de heterojunções com TiO2, melhorando a transferência de carga e aumentando a absorção de luz no espectro visível do TiO2 puro. Esta tese apresenta diferentes estudos voltados para a síntese e caracterização de novos nanomateriais heteroestruturados eficientes para geração fotocatalítica de hidrogênio e degradação de poluentes perigosos. No primeiro estudo, foi relatada uma heterojunção p-n de NiO/TiO2 obtida via mecanoquímica, que apresentou uma taxa elevada de fotoprodução pelo sol de H2 em comparação com o TiO2 puro (8.85 mmol h-1 g-1 vs. 0.73 mmol h-1 g-1). Em todos os casos, a adição de NiO suportado em TiO2 reduziu a taxa de recombinação e aumentou a absorção de luz visível. Estudos de TEM, XPS e XAS demonstraram que uma dispersão homogênea e uma configuração de spin favorável dos pequenos aglomerados de NiO suportados em TiO2 foram responsáveis pela eficiência superior exibida pela amostra preparada via mecanoquímica, denominada NiO/P90- BM. Notavelmente, testes de ciclagem, de longo prazo e de envelhecimento mostraram que o fotocatalisador relatado é eficiente após vários ciclos, para uso prolongado e após longos períodos de armazenamento. Além disso, foram realizados estudos combinando EPR e a técnica de captura de spin para aprofundar na produção de superóxido e hidroxila pelas heterojunções de NiO/TiO2. Esses estudos forneceram insights sobre a aplicação potencial das heterojunções de NiO/TiO2 para a degradação fotocatalítica de poluentes gasosos e aquosos. Os resultados de EPR lançaram luz sobre a amostra de NiO/P90-BM como a mais eficiente na fotogeração de ROS, revelando que a síntese mecanoquímica resultou em uma arquitetura mais eficiente para a geração de radicais superóxido e hidroxila. Finalmente, foi relatada uma rota simples de química branda para preparar uma heteroestrutura de nanocubos de óxido cúprico (Cu2O NCs) e TiO2, denominada Cu2O NCs/TiO2, como um adsorvente eficiente para a tetraciclina (TC), que é um antibiótico de amplo espectro. FTIR e TGA foram realizados antes e após o processo de adsorção para demonstrar a adsorção de TC pela heteroestrutura Cu2O NCs/TiO2. Além disso, foram realizados testes com irradiação de luz visível para distinguir entre os processos de remoção por adsorção e fotocatalítica. Além disso, foram realizadas medições de EPR usando captura de spin para investigar a fotoprodução de ROS. Curiosamente, não houve fotoprodução de ROS detectável pela heteroestrutura Cu2O NCs/TiO2, demonstrando que a remoção de TC é exclusivamente devido à adsorção. Estes resultados contribuem para esclarecer uma discrepância na literatura quanto à atividade fotocatalítica dos Cu2O NCs sob luz visível. Coletivamente, esta pesquisa avançou o entendimento dos mecanismos fotocatalíticos e relatou novos nanomateriais heteroestruturados, destacando seu potencial para aplicações sustentáveis em diversos contextos relacionados ao meio ambiente e transição energética. / [en] Solar light-responsive heterostructures hold great potential in different applications toward a clean and sustainable future, such as hydrogen (H2) photoproduction and environmental remediation. In the context of photocatalysis, titanium dioxide (TiO2) plays a crucial role due to its wide range of applications, excellent chemical stability, low toxicity, and relatively low cost. However, neat TiO2 has some shortfalls, such as a high recombination rate and low sensitivity to solar light, which limits its efficiency in photocatalytic applications in general. Therefore, the continuous development of new materials aimed at improving these limitations is mandatory. Among the approaches to overcome the neat TiO2 shortfalls is the formation of heterojunctions with suitable semiconductors, improving charge separation and, therefore, photocatalytic efficiency. Nickel oxides and copper oxides are reported as promising alternatives for forming heterojunctions with TiO2, enhancing the charge transfer and broadening the light absorption in the visible spectrum. This thesis presents different studies aimed at the synthesis and characterization of new efficient heterostructured nanomaterials for photocatalytic hydrogen generation and hazardous pollutants abatement. In the first study, a NiO/TiO2 p-n heterojunction obtained via mechanochemistry was reported, which exhibited an improved solar-driven H2 photoproduction rate compared to neat TiO2 (8.85 mmol h-1g-1vs. 0.73 mmol h-1g-1). In all cases, the addition of NiO supported on TiO2 reduced the recombination rate and enhanced the visible light absorption. TEM, XPS, and XAS studies demonstrated that a homogenous dispersion and a favorable spin configuration of NiO clusters supported on TiO2 were responsible for the superior efficiency exhibited by the sample prepared via mechanochemistry, labeled as NiO/P90-BM. Noticeably, cycling, long-term, and aging tests have shown that the reported photocatalyst is efficient after several cycles, prolonged use, and after long periods of storage. Furthermore, studies combining EPR and the spin trapping technique were carried out to delve into the production of superoxide and hydroxyl by NiO/TiO2 heterojunctions. These studies provided insights into the potential application of the NiO/TiO2 heterojunctions for the photocatalytic degradation of gaseous and aqueous pollutants. The EPR results shed light on the NiO/P90-BM sample as the most efficient in ROS photogeneration, revealing that mechanochemical synthesis resulted in a more efficient architecture for generating superoxide and hydroxyl radicals. Besides, a simple soft chemistry route was reported to prepare a heterostructure of cuprous oxide nanocubes (Cu2O NCs) and TiO2, labeled as Cu2O NCs/TiO2, as an efficient adsorbent for tetracycline (TC), which is a broad-spectrum antibiotic. FTIR and TGA were carried out before and after the adsorption process to demonstrate the adsorption of TC by the Cu2O NCs/TiO2 heterostructure. Additionally, tests with visible light irradiation were performed to distinguish between adsorption and photocatalytic removal processes. In addition, EPR measurements were also carried out using spin trapping to investigate the ROS photoproduction. Interestingly, there was no detectable ROS photoproduction by the Cu2O NCs/TiO2 heterostructure, demonstrating that TC removal is solely due to adsorption. These results contribute to clarifying a discrepancy in the literature regarding the photocatalytic activity of Cu2O NCs under visible light. Collectively, this research has advanced the understanding of photocatalytic mechanisms and reported new heterostructured nanomaterials, while highlighting their potential for sustainable applications in diverse environmental and energy transition related contexts.