Obtenção e caracterização de uma junção WO3|Cu2O para aplicação em fotoeletrocatálise

Abstract

Neste trabalho será apresentado a síntese e caracterização de filmes de óxido de tungstênio (WO3) e de óxido de cobre (Cu2O) e a sua aplicação em uma junção WO3|Cu2O. Filmes de WO3 foram obtidos através de deposição de tungstênio por magnetron sputtering, que foi posteriormente convertido a WO3 por duas rotas: i) oxidação térmica e ii) oxidação por anodização. Filmes de Cu2O foram obtidos por duas rotas: i) oxidação térmica e ii) magnetron sputtering reativo. Filmes de WO3 e Cu2O foram submetidos a tratamento térmico em atmosfera de argônio e em ar atmosférico. Os semicondutores foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura, difração de raios X, perfilometria, espectroscopia na região do Uv-vis, medidas de fotoluminescência e foram realizadas medidas fotoeletroquímicas. Análises mostram que tanto por oxidação térmica quanto por anodização é obtido WO3 monoclínico e os filmes apresentam perfil espectral parecido. Análises morfológicas mostram que a maior rugosidade foi obtida por oxidação térmica a 600 oC por 3h. Os maiores valores de fotocorrente foram registrados em filmes obtidos por oxidação térmica a 600 oC por 3 horas. Filmes de Cu2O foram obtidos com sucesso pelo método de sputtering reativo, enquanto o processo de oxidação térmica resultou em um filme de CuO. Análises de XRD mostraram que a fase Cu2O quando submetida a tratamento térmico de 600 ºC só se torna estável quando o processo é conduzido em atmosfera de argônio, portanto a junção WO3|Cu2O foi obtida em atmosfera livre de oxigênio. Análises de perfilometria mostram que filme de CuO apresenta maior rugosidade do que o filme de Cu2O. As medidas de fotocorrente mostram na tensão de 0,6V (vs AgCl), o Cu2O, que é a fase obtida por sputtering reativo, apresentam densidade de fotocorrente aproximadamente 5 vezes maior que a do CuO, que é a fase obtida por oxidação térmica. Na etapa final deste trabalho foi obtida a junção WO3|Cu2O que apresentou valor de fotocorrente inferior ao esperado. Sugerimos que este resultado é devido a degradação da camada de Cu2O observada na junção. A junção obtida por Cu2O sobre WO3 gerado por oxidação térmica produziu maior fotocorrente que a junção obtida por Cu2O sobre WO3 gerado por anodização e este resultado é devido ao maior número de elétrons fotoexcitados na junção sobre WO3 obtido por oxidação.

In this work, we will present the synthesis and characterization of tungsten oxide (WO3) and copper oxide (Cu2O) and the application in WO3|Cu2O junction. WO3 films were obtained by deposition of tungsten by magnetron sputtering, which was later converted to WO3 by two routes: i) thermal oxidation and ii) oxidation by anodization. Cu2O films were obtained by two routes: thermal oxidation and ii) reactive magnetron sputtering. WO3 and Cu2O films were subjected to heat treatment in an argon atmosphere and in atmospheric air. The semiconductors were characterized by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, profilometry, spectroscopy in the UV-vis region, photoluminescence measurements and photoelectrochemical measurements were performed. Analysis shows that either thermal oxidation or anodization monoclinic WO3 is obtained and the films have a similar spectral profile. The highest roughness was obtained by thermal oxidation followed by heat treatment at 600 oC for 3h. The larger values of photocurrent measurements have been registered for films obtained by thermal oxidation at 600 oC for 3 hours. Cu2O films were successfully obtained by the reactive sputtering method while the thermal oxidation process resulted in a CuO film. XRD analyzes showed that the Cu2O phase when subjected to heat treatment at 600 ºC is only stable when the process is carried out in an argon atmosphere. Therefore, in the assembly of the junction, heating steps must be carried out in an oxygen-free atmosphere. Profilometric analyzes showed that the CuO film presents greater roughness than the Cu2O film. Photocurrent measurements show that at 0.6V voltage (vs AgCl), Cu2O, which is the phase obtained by reactive sputtering, has a photocurrent density approximately 5 times greater than that of CuO, which is the phase obtained by thermal oxidation. In the final step of this work, the WO3|Cu2O junction was obtained, which presented a lower than expected photocurrent value. We suggest that this result is due to the degradation of the Cu2O layer observed at the junction. The junction obtained by Cu2O over WO3 generated by thermal oxidation produced higher photocurrent than the junction obtained by Cu2O over WO3 generated by anodization. This result is due to the higher number of photoexcited electrons at the junction on WO3 obtained by oxidation.