Nanoestruturação de eletrodos de ouro intensificado por plasmônica

Abstract

Na busca de novas tecnologias energéticas, explorar reações redox para converter matérias-primas renováveis abundantes na terra em combustíveis de valor agregado se tornou um estudo importante. Isso ocorre porque as fontes de energia renováveis dependem das condições climáticas, como a energia fotovoltaica e a eólica. Por causa disso, o armazenamento de energia é essencial. Nesse sentido, o uso da eletrólise da água assistida por plasmônica, utilizando eletrodos de Aunanoestruturados, pode produzir hidrogênio como combustível solar, uma forma de armazenar quimicamente energia renovável. Os plasmons são o resultado da interação de algumas nanoestruturas metálicas com ondas eletromagnéticas em frequência ressonante. Essa ressonância cria elétrons localizados oscilantes (plasmons – ressonância plasmônica de superfície localizada – LSPR) e por tais movimentos, esses elétrons são excitados e geram os chamados portadores de carga quente. No presente trabalho propomos a utilização de processos eletroquímicos, que permitem alto nível de controle pelas variáveis elétricas, como corrente e potencia. Foi investigada a nanoestruturação de eletrodos de Au. Os experimentos foram executados com base em um planejamento fatorial, considerando as variáveis eletroquímicas. A literatura mostra que para a região de adsorção de sulfato há um incremento de área, devido a uma nanoestruturação superficial. Utilizando o plano fatorial é possível relacionar múltiplas variáveis ao mesmo tempo e obter um modelo matemático que possa relacionar essas variáveis de entrada com a saída, a resposta plasmônica verificada por espectroeletroquímica in situ na região UV-vis. Com os resultados obtidos, pudemos observar um aumento na área superficial do eletrodo, conforme esperado. Este incremento de área é resultado dos ciclos de corrosão-redeposição observados em uma janela de potencial, e estimulados pela adsorção-dessorção do ânion. Como consequência, o eletrodo se tornou nanoestruturado e, por isso, ativo plasmônico, conforme observado por medições espectroeletroquímica in situ na região UVVis.

In the search for new energy technologies, exploring redox reactions to convert abundant renewable raw materials on Earth into value-added fuels has become an important area of study. This is because renewable energy sources depend on climatic conditions, such as photovoltaic and wind power. Therefore, energy storage is essential. In this sense, the use of plasmonics-assisted water electrolysis, using nanostructured Au electrodes, can produce hydrogen as a solar fuel, a way to chemically store renewable energy. Plasmons are the result of the interaction of some metallic nanostructures with electromagnetic waves at resonant frequencies. This resonance creates oscillating localized electrons (plasmons – localized surface plasmonic resonance – LSPR), and through these movements, these electrons are excited and generate so-called hot charge carriers. In this work, we propose the use of electrochemical processes, which allow a high level of control over electrical variables such as current and potential, and are a low-cost process. We investigated the nanostructuring of Au electrodes. The experiments were performed based on a factorial design, considering the electrochemical variables. The literature shows that for the sulfate adsorption region there is an increase in area due to surface nanostructuring. Using the factorial design, it is possible to relate multiple variables simultaneously and obtain a mathematical model that can relate these input variables to the output, the plasmonic response verified by in situ spectroelectrochemistry in the UV-Vis region. With the results obtained, we were able to observe an increase in the electrode's surface area, as expected. This area increase is a result of the corrosion-redeposition cycles observed in a potential window, and stimulated by the adsorption-desorption of the anion. As a consequence, the electrode became nanostructured and, therefore, plasmonically active, as observed by in situ spectroelectrochemical measurements in the UV-Vis region.