Caracterização estrutural, química e de estado eletrônico de interfaces/superfícies de fotoanodos aplicados a water-splitting

Abstract

A urgência climática tem desafiado o desenvolvimento de sistemas de geração de energia verde, nos quais os dispositivos de fotoeletrocatalise (PEC) são essenciais para alcançar o êxito. O design de dispositivos PEC aplicados a reações de divisão da água é crucial para aprimorar seu desempenho. Em escala nanométrica, a eficiência do dispositivo é impulsionada pelas condições de interface e superfície. Mudanças na concentração química ou arranjos estruturais nas regiões de interface resultam em propriedades físicas únicas que podem aprimorar o desempenho do dispositivo. O conhecimento sobre o estado estrutural, químico e eletrônico de interfaces heterogêneas pode contribuir para o desenvolvimento e aprimoramento de dispositivos PEC, sendo tipicamente avaliado em escala nanométrica por imagens de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM), além de espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS) e espectroscopia dispersiva de energia (EDS) acopladas a um microscópio de varredura (STEM). Neste estudo, investigamos a interface de hematita com 3% de Zr4+ (Zrhematita) depositada em óxido de estanho dopado com flúor (FTO). As amostras foram preparadas por revestimento profundo e recozimento para cristalizar a Zr-hematita. Após a cristalização, adicionamos uma solução de NiFeOx para formar uma camada de material co-catalítico (Ni2+). Obteve-se a caracterização estrutural da região de interface por imagens HRTEM e simulações HRTEM, mostraram que a Zr-hematita e o FTO exibem distorções da rede cristalina. Imagens de campo de tensão foram obtidas por meio de análise de fase geométrica, ao qual foi identifica regiões de acúmulo de tensão. A análise do ambiente químico e eletrônico na interface FTO/Zr-hematita foi obtida por meio de mapas simultâneos de EELS e EDS no modo STEM e os dados processados por cálculos de análise multivariada. Os resultados mostram uma região de interface com espessura de 2,5 nm contendo uma mistura de FeSnOx. O mapa de concentração revelou que o Zr4+ segregou nas fronteiras de grãos da hematita e na região de mistura da interface, e que o Ni2+ é depositado na superfície livre da hematita, não no FTO. O Zr4+ atua no controle do tamanho de grão e ajuste da interface, enquanto o Ni2+ é um co-catalisador, melhorando a eficiência do dispositivo PEC. Os mapas de energia mostram uma mudança para Sn+4 para Sn+2 e Fe+3 para Fe+2 tanto nas regiões finas de grãos do FTO quanto na Zr-hematita, causada pela perda de oxigênio do sistema. Finalmente, foi realizado um estudo inicial da correlação entre a orientação dos grãos de Zr-hematita crescidos com a segregação de Zr4+ nas facetas dos grãos e a diferença do tensionamento na interface com o FTO.

The climate urgency has posed challenges to the development of green energy generation systems, in which photoelectrocatalysis (PEC) devices are vital for achieving success. The design of PEC devices applied to water-splitting reactions is crucial to enhance their performance. At the nanoscale, the device's efficiency is driven by interface and surface conditions. Changes in chemical concentration or structural arrangements in the interface regions lead to unique physical properties that can improve device performance. Knowledge of the structural, chemical, and electronic state of heterogeneous interfaces can contribute to the development and improvement of PEC devices, typically assessed at the nanoscale through high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) images, as well as electron energy loss spectroscopy (EELS) and energy-dispersive spectroscopy (EDS) coupled to a scanning transmission electron microscope (STEM). In this study, we investigated the interface of hematite with 3% Zr4+ (Zr-hematite) deposited on fluorine-doped tin oxide (FTO). The samples were prepared through deep coating and annealing to crystallize Zr-hematite. After crystallization, a NiFeOx solution was added to form a layer of co-catalytic material (Ni2+). Structural characterization of the interface region was obtained through HRTEM imaging and HRTEM simulations, revealing lattice distortions in Zr-hematite and FTO. Stress field images were obtained through geometric phase analysis (GPA), identifying regions of stress accumulation. Chemical and electronic analysis at the FTO/Zr-hematite interface was conducted through simultaneous STEM-EELS-EDS mapping, and the data were processed using multivariate analysis calculations. The results show a 2.5 nm thick interface region containing a mixture of FeSnOx. The concentration map revealed that Zr4+ segregated at the grain boundaries of hematite and in the mixing region of the interface, while Ni2+ was deposited on the free surface of hematite, not on FTO. Zr4+ influences grain size control and interface adjustment, while Ni2+ acts as a co-catalyst, improving the efficiency of the PEC device. Energy maps indicate a shift from Sn4+ to Sn2+ and Fe3+ to Fe2+ in both the fine grain regions of FTO and Zr-hematite, caused by the loss of oxygen from the system. Finally, an initial study was conducted on the correlation between the morphology of grown Zrhematite grains, the segregation of Zr4+ on grain facets, and the difference in stress at the interface with FTO.