Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Programa de Pós-Graduação em Física, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2013-12-05T22:24:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 318835.pdf: 4437025 bytes, checksum: 0487f8cf29c5fcadb7ff67b35a8fff0a (MD5) Previous issue date: 2013 / Desde a descoberta por Fujishima e Honda, em 1972, de que eletrodos de TiO2 atuam como fotocatalisadores para a decomposição de água sob ação de luz ultravioleta, observa-se um enorme interesse da comunidade científica pela fotoatividade deste óxido semicondutor, levando a aplicações promissoras, tanto em dispositivos fotovoltaicos como fotocatalíticos. Este trabalho teve como objetivo principal a otimização da propriedade fotocatalítica de filmes de TiO2 eletrossintetizados sobre substratos de ITO, variando os parâmetros de síntese. Os instantes iniciais do processo de eletrossíntese foram monitorados por microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, análises de EDS, e perfilometria. Determinamos a eficiência do processo de eletrossíntese para vários potenciais e propusemos um modelo para explicá-lo. Com o intuito de caracterizar as propriedades fotocatalíticas do material produzido, construímos um sistema de medidas fotoeletroquímicas (PEC), que nos permitiu a otimização dos vários parâmetros de fabricação: potencial de eletrossíntese, espessura do depósito, temperatura de tratamento e taxa de resfriamento. A eficiência fotocatalítica para decomposição da água é proporcional à fotocorrente medida. As maiores densidades de fotocorrente foram obtidas para amostras eletrossintetizadas em potencial catódico de 1.05 V/SCE, com densidade nominal de carga de 640 mC/cm2 e temperatura de tratamento a 600 °C, com as quais obtivemos 0,13 % de eficiência total, num regime quase estacionário. Algumas medidas PEC foram realizadas com incidência de luz intermitente, de forma que os transientes de fotocorrente forneceram informações sobre o armadilhamento de cargas e a recombinação de pares elétron/buraco fotogerados. Para a obtenção de dados de fotocorrente espectral, montamos e automatizamos uma bancada para tais medidas ópticas. A eficiência espectral das amostras fabricadas se mostrou bastante suscetível aos parâmetros de síntese, revelando-se uma poderosa ferramenta para otimização de materiais fotovoltaicos e fotocatalíticos Propusemos um modelo para explicar de forma integrada os resultados de absorbância óptica, fotocorrente, eficiência espectral, tratamento térmico e taxa de resfriamento. Pelo modelo proposto, a alta eficiência da amostra otimizada decorre de múltiplas transições eletrônicas, da banda de valência para níveis energéticos situados dentro do gap, e destes para a banda de condução, abrindo a possibilidade de realização de fotocatálise da água com luz visível. <br> / Abstract : Since 1972, when Fujishima and Honda found out that TiO2 electrodes are photocatalyzers for water decomposition under UV light incidence, the scientific community has witnessed an increased interest in the photoactivity of this oxide semiconductor, leading to promising applications in both photovoltaic and photocatalytic devices. The main goal of this work is to optimize TiO2 films electrosynthesized on ITO substrates, regarding its photocatalytical properties, varying the synthesis parameters. The initial instants of the electrosynthesis process were monitored by both optical and scanning electron microscopy, EDS analysis and profilometry. We have determined the efficiency of the electrosynthesis process for different potentials and we have proposed a model to explain it. In order to characterize the photocatalytical properties of the produced material, we have assembled an experimental set-up for photoelectrochemical (PEC) measurements, which enabled us to optimize several fabrication parameters: electrosynthesis potential, thickness of the deposit, heating temperature and cooling rate. The photocatalytical efficiency for water decomposition is proportional to the measured photocurrent. The highest photocurrent density values were obtained for samples electrosynthesized at -1.05 V/SCE with a nominal charge density of 640 mC/cm2 and thermally treated at 600 °C, which yielded 0.13 % total efficiency, in a quasi-stationary regime. PEC measurements conducted under chopped light gave us information about charge trapping and photogenerated electron/hole pair recombination. In order to obtain spectral photocurrent data, we have assembled and automated a bench for such optoelectronic measurements. The spectral efficiency of the produced samples was very sensitive to the synthesis parameters, revealing this to be a powerful tool for the optimization of photovoltaic and photocatalytical materials. We have proposed a model to explain in an integrated manner the results on the optical absorption and photocurrent measurements, spectral efficiency, heating treatment and cooling rate. In this model, the high efficiencies of the optimized sample is due to multiple electronic transitions from the valence band to energetic levels inside the gap, and from the last to the conduction band, opening the possibility of water photocatalysis with visible light.

Made available in DSpace on 2015-05-14T16:52:59Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-08-22Bitstream added on 2015-05-14T16:59:35Z : No. of bitstreams: 1 000824400.pdf: 1274907 bytes, checksum: e1a8ab0e68a35e7dc28dc76db0bf6d7b (MD5) / O alto custo na produção de células fotovoltaicas ainda é uma problemática para a utilização da energia solar como fonte de energia elétrica. Neste contexto, o trabalho realizado estuda a viabilidade do uso do dióxido de titânio como aceptor de elétrons em células fotovoltaicas híbridas. Neste estudo foi utilizando o polímero PFO (polidietilfluoreno) como doador de elétrons. Filmes de TiO 2 , eletrodepositados em diferentes potenciais, foram tratados termicamente para se obter a fase cristalográfica anatase. O surgimento desta fase foi monitorado por meio da técnica de difração de raios-X. Os resultados obtidos demonstraram que todos os filmes apresentaram a fase anatase a 600°C, porém para o maior potencial de eletrodeposição (-1,2 V), não foi possível detectar a presença de qualquer fase. No intuito de se determin ar a eficiência dos filmes eletrodepositados de TiO 2 como aceptor de elétrons, foram realizadas medidas de fluorescência utilizando o recurso da microscopia confocal de fluorescência de varredura laser (LSCM). Foi possível observar que o PFO, quando utilizado em conjunto com o TiO 2 , apresenta uma menor taxa de emissão quando comparado com o filme na ausência de TiO 2 . Esta diferença mostra que o filme de TiO 2 obtido neste trabalho está atuando efetivamente como um aceptor de elétrons. Neste trabalho também foi desenvolvido um novo método de síntese para a obtenção de pó de TiO 2 . As diferentes fases cristalográficas obtidas após tratamento térmico foram analisadas por difração de raios -X. Os resultados obtidos mostraram que a fase anatase foi obtida pura em 600°C com um tamanho de cristalito de 24 nm e a fase rutilo pura em 1000°C com um tamanho de cristalito de 55 nm. O tamanho do cristalito, assim como a estabilidade ... / The high cost in the production of photovoltaic cells is still a problem for the solar energy usage as an electrical power source. In this context, the work studies the feasibility of using titanium dioxide as an electron acceptor in hybrid photovoltaic cells. In this study was used the polyfluorene (PFO) polymer as electron donor. TiO 2 films, electrodeposited at different potentials, were treated thermally to obtain anatase crystallographic phase. The phase evolution was monitored by X-ray diffraction. The results showed that all films had the anatase phase at 600°C, but for higher electrodeposition potential (-1.2 V), it was not possible to detect the presence of any phase. In order to determine the efficiency of electrodeposited TiO 2 films as electron acceptor, fluorescence measurements were performed using laser scanning confocal microscope (LSCM). It was possible to observe that the PFO when used in conjunction with TiO 2 has a lower emission rate as compared to film in the absence of the TiO 2 . This difference shows that the TiO 2 film obtained in this work is acting effectively as an electron acceptor. In this work has also been developed a new synthesis method for obtaining TiO 2 powder. The different crystallographic phases obtained after heat treatment were analyzed by X-ray diffraction. The results showed that the anatase phase was obtained pure at 600°C with a crystallite size of 24 nm and pure rutile phase at 1000°C with a crystallite size of 55 nm. The crystallite size, as well as the stability of the anatase phase was also studied as a function of the concentration of H 2 O 2 in solution. The crystallite size varied from 11 to 35 nm, for concentrations of 0.009 mol/L and 0.138 mol/L H 2 O 2 , respectively. When heat treated at 825°C the sample obtained with lower concentrations of H 2 O 2 and hence smaller crystallite size became completely into rutile phase, however, for the obtained sample with the highest ...