Autores
Souza, R.R. (UFVJM) ; Sá, B.A.C. (UFVJM) ; Santos Neto, A.R. (UFVJM) ; Pereira, M.C. (UFVJM)
Resumo
As baterias redox são alternativas interessantes, sobretudo, na estocagem de
energias renováveis. De modo mais específico, as baterias aquosas redox de Zn-iodo
(ZIRB) apresentam aspectos atraentes, tais como baixo custo, segurança no manuseio
e o caráter ambientalmente amigável. O sistema das ZIRBs funciona através dos
processos reversíveis de oxidação e redução das espécies Zn0/Zn(OH)42- e I-/I-3.
Neste trabalho, a heterojunção BiVO4/V2O5 foi empregada como fotocatodo para
auxiliar no processo de carga fotoassistida da bateria. O carregamento da bateria
com 0,33 mA cm-2 realizado no escuro necessitou de um potencial de 2,43 V, ao
passo que, verificou-se uma redução de ~11,9% no potencial para a mesma carga na
luz. Utilisou-se voltametria para avaliar o desempenho do sistema.
Palavras chaves
Bateria Redox; Vanadato de Bismuto; Pentóxido de Vanádio
Introdução
As energias limpas conquistaram uma parcela significativa do mercado, e a
produção de eletricidade com base na energia fotovoltaica, busca atender a
demanda energética atual sem causar grandes impactos ambientais. Contudo,
durante os momentos de superprodução, ocorrem perdas da energia não utilizada, e
o caráter intermitente e flutuante não permite a produção constante ou estável,
sendo necessária sua associação a tecnologias capazes armazenar energia (NILGES
et al., 2012). O armazenamento da energia pode ser através das baterias redox
durante a conversão de eletricidade em energia química nos pares redox.
(PARASURAMAN et al., 2013).
O rendimento e a seletividade ideais nos processos eletroquímicos passam pela
escolha do material do eletrodo. Assim, os eletrodos são parte essencial da
bateria. Para um eletrodo ideal deseja-se que ele seja estável, resistente à
corrosão, não toxico, barato e principalmente desempenho de alto rendimento e
excelente seletividade. (HEARD; LENNOX, 2020). O fotocatodo vanadato de bismuto
(BiVO4) com pentóxido de vanádio (V2O5) é uma alternativa interessante em
atividade fotocatalítica (OLIVEIRA, 2018). Estes materiais ao serem usados como
fotocatodos e combinados à tecnologia das baterias redox dão origem às baterias
fotoassistidas para reduzir o potencial de carga (LI et al., 2021).
Frente aos conceitos de baterias redox e fotocatodos, a ideia deste trabalho é
desenvolver um dispositivo capaz de, simultaneamente, armazenar energia e
converter a luz solar em eletricidade, por meio da associação dos pares redox de
baixo custo, zinco e iodo, com o fotoeletrodo BiVO4/V2O5 heteroestruturado.
Assim, objetiva-se a construção de uma bateria recarregável de Zn-I2
fotoassistida.
Material e métodos
A síntese do semicondutor BiVO4 foi realizada tendo por base a metodologia
descrita por Andrade et al. (2020) e Zhang; Chen; Jiao, (2006). Para obter a
heteroestruturados e a preparação dos filmes de BiVO4/V2O5 seguiu-se a
metodologia empregada por Santos Neto (2021); Andrade et al. (2020) e Sena
(2020), substituindo o banho ultrassônico pelo sonicador de ponteira
ultrassônico. Assim, 2,0 mg de BiVO4 sintetizada e V2O5 (Sigma-Aldrich 98%), na
proporção de 1:1, foram diluídos em 400 μL de álcool isopropil (Neon, 99,5%) e
sonicado por 5min. A solução foi depositada em FTO por drop casting e calcinado
por 2h a 500°C.
Para caracterização a Difração de raios X (DRX) procedeu-se em uma faixa de 2θ
variando de 10 a 80º, com velocidade de varredura de 2,0 grau.min-1, com
radiação CuKα (λ=1,54056 Å), a 30kV e 30 mA. As imagens de microscopiaeletrônica
de varredura MEV com potencial de 5,0 kV, com ampliações de 5.000 e 15.000x, no
modo ES.
Todos os testes fotoeletroquímicos foram realizados por meio de uma
potenciostato AUTOLAB PGSTAT 128 N. Para a simulação da radiação solar
trabalhou-se com uma lâmpada de Xe (100 mW cm², λ > 400 nm, A.M 1,5G). O anodo
foi constituído com um eletrodo de zinco metálico (Zn) em um eletrólito 0,2
mol.L-1 de acetato de zinco Zn(AC)2 e 1,0 mol.L-1 de hidróxido de potássio NaOH.
No catodo, foi utilizado a heterojunção BiVO4/V2O5 como fotoeletrodo, em 0,5
mol.L-1 de iodeto de potássio KI como eletrólito. Além dos testes de
voltametria linear e cíclica, os testes de carga e descarga em ciclos de 1h
foram realizados, Conduzidos com a aplicação de três correntes distintas: 0,2
mA; 0,4 mA e 0,6 mA.
Resultado e discussão
A topologia do filme apresenta uma superfície porosa e irregular. A diferença no
relevo permite que haja maior área de contato entre o eletrodo e o eletrólito,
aumentando os sítios para a realização das reações Redox. O vanadato de bismuto
esférico forma aglomerações na superfície dos bastonetes do pentóxido de
vanádio, mesmo padrão observado por Oliveira (2018).
O teste de potencial de circuito aberto PCA da bateria sob iluminação mostrou
que o valor de PCA passou para 1,435 V vs Zn, uma redução próxima a 15,4% do
valor de início. Além disso, sob iluminação, notou-se uma redução considerável
do potencial de carregamento. Aplicando-se à bateria 0,11 mA cm-2 o valor de
1,67 V alcançado representa redução de 16,7% no potencial de carga. O desempenho
de operação da bateria ainda foi avaliado a uma densidade de corrente de 0,34 mA
cm-2. Nota-se que nas condições utilizadas, a carga ocorreu em diferentes
potenciais. Na presença e na ausência da iluminação, verifica-se que o sistema
alcança 2,35 V, já quando o carregamento é auxiliado pela iluminação, há redução
de 0,48 V, ou seja, uma economia de 20% após 1h.
O teste de carga e descarga de 200 ciclos no escuro e na luz deve duração de 11h
e 5h respectivamente. Neste período houve uma estabilidade considerável nos
potenciais, com variando, em média, entre 2,05 e 1,15 V no escuro. Ao passo que
os ciclos assistidos pela iluminação alcançaram potência de carga em torno de
1,61 V. Assim, uma notória diferença no potencial de carga (~21%) é observada
mesmo após os 200 ciclos.
A) densidade de corente 0,11 mA cm-2, B) 0,23 mA cm-2, C) 0,34 mA cm-2
200 ciclos de carga e descarga realizados no escuro e na luz
Conclusões
A bateria aquosa redox de Zn-iodo, associada ao fotocatodo BiVO4/V2O5 resultou em
um dispositivo capaz de economia energética. O teste de carga e descarga comprovou
o efeito da iluminação sob o potencial de carga. Para as densidades de corrente de
0,11 mA cm-2 e 0,33 mA cm-2 observou-se quedas de ~16,7% e ~20% no potencial de
carregamento, respectivamente na luz. Assim, a bateria de Zn-I2 apresenta
vantajosas por causa do seu baixo custo de produção, a segurança ambiental e a
capacidade de armazenamento. Os semicondutores empregados no sistema também podem
ser apontados como uma opção viável.
Agradecimentos
Ao grupo de pesquisa NaNoMat-UFVJM, ao programa de pós-graduação da UFVJM, ao
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e à
Coordenação de Aperfeiçoamento do Ensino Superior (CAPES - código 001).
Referências
ANDRADE et al. A photoassisted hydrogen peroxide fuel cell using dual photoelectrodes under tandem illumination for electricity generation Journal of Electroanalytical Chemistry 881, 114948, 2020.
HEARD, D. M., & LENNOX, A. J. J. Electrode Materials in Modern Organic Electrochemistry. AngewandteChemie. 132. , 2 – 21, 2020.
LI, Junfu et al. A mathematical method for open-circuit potential curve acquisition for lithium-ion batteries. Journal of Electroanalytical Chemistry, v. 895, p. 115488, 2021.
NILGES, P., DOS SANTOS, T. R., HARNISCH, F., & SCHRÖDER, U. Electrochemistry for biofuel generation: Electrochemical conversion of levulinic acid to octane. Energy Environ. Sci., 5(1), 5231–5235, 2012.
PARASURAMAN, A., LIM, T. M., MENICTAS, C., & SKYLLAS-KAZACOS, M. Review of material research and development for vanadium redox flow battery applications. Electrochimica Acta, 101, 27–40, 2013.
OLIVEIRA, A. T., RODRIGUEZ, M., ANDRADE, T. S., DE SOUZA, H. E. A., ARDISSON, J. D., OLIVEIRA, H. S., … PEREIRA, M. C. High Water Oxidation Performance of W-Doped BiVO4 Photoanodes Coupled to V2 O5 Rods as a Photoabsorber and Hole Carrier. Solar RRL, 2(8), 1800089, 2018.
SANTOS NETO, A. R. Fotoanodo heteroestruturado de BiVO4/V2O5 obtidos a partir da reação de estado sólido entre o Bi2O3 e V2O5 para uso em células foto eletroquímicas de clivagem da água. 2021. 81p. Dissertação (Mestrado em Química). Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri. Teófilo Otoni, 2021.
SENA, I. C. Desenvolvimento de fotoanodos à base de W-BiVO4/WBiVO4: V2O5 para geração de energia elétrica em um dispositivos de compartimentos. / Izabela Campos Sena –Teófilo Otoni: UFVJM, 2020.
ZHANG, L.; CHEN, D.; JIAO, X. Monoclinic structured BiVO4 nanosheets: Hydrothermal preparation, formation mechanism, and coloristic and photocatalytic properties. Journal of Physical Chemistry B, 110 ( 6) 2668-2673, 2006.
