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abr 29

Construção de uma célula fotoeletroquímica

    INTRODUÇÃO 

    Células solares são dispositivos que geram eletricidade a partir da luz. O tipo mais comum é feito de silício, onde o processo de produção é similar ao utilizado para fabricas chips de circuitos integrados e processadores. Esse processo, embora bem dominado tecnologicamente, é caro e necessita de condições e maquinário especial, não sendo uma tarefa trivial reproduzi-lo. Uma segunda geração de células fotovoltaicas, entretanto, é baseado  em dispositivos que utilizam um corante para absorver energia do espectro solar e gerar separação de cargas em um semicondutor. Se esse semicondutor estiver nanoparticulado, a eficiência é muit melhor. 
Embora esse tipo de célula solar (Denominada célula fotoeletroquímica ou, mais comumente, célula de Gratzel em homenagem ao cientista que a inventou) seja menos eficiente que a versão de silício, elas são mais baratas e muito mais simples de produzir podendo, inclusive, serem obtidas em um laboratório com mínimo de equipamentos disponíveis.
 
    O funcionamento de uma célula fotoeletroquímica é o seguinte: o corante absorve a radiação eletromagnética e injeta elétrons excitados na banda de condução do dióxido de titânio nanoparticulado. Esses elétrons circulam por um circuito externo, realizando trabalho e são coletados no cátodo feito de platina ou carbono. Um eletrólito composto pelo par redox I-/I3- completa o circuito (Figura 1).
    Nesse experimento, construiremos um célula fotoeletroquímica simples, utilizando como corante suco de açaí.
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1. Esquema básico de funcionamento de uma célula fotoeletroquímica
 
 
    EQUIPAMENTO E REAGENTES
  • Béquer
  • Pipeta
  • Multímetro
  • Forno ou chapa de aquecimento
  • Fita adesiva
  • Pinça
  • Bastão de vidro
  • Lâminas de vidro conduto (FTO)
  • Lápis
  • Clipes
  • Nanopartículas de TiO2
  • Etanol
  • Etileno glicol
  • KI
  • I2
  • Suco de açaí
  • Triton -X ou detergente neutro incolor
 
    PROCEDIMENTO
    Inicialmente prepare a pasta de TiO2: Pese 0,5g de dióxido de titânio nanocristalino e transfira para um amofariz; acrescente algumas gotas de ácido acético diluído (Dilua 0.1 mL de ácido acético glacial em 50 mL de água) e macere até formar uma pasta homogênia e acrescente gotas da solução de ácido acético até ficar com a consistência de um glacê. OBS: não utilize força ao macerar ou a pasta irá adquirir uma coloração verde, tornando-se inútil.
   Adicione algumas gotas de Triton-X (Ou detergente incolor) e macere até homogeinização, sempre com suavidade.
    Vamos agora preparar o ânodo da célula: cubra dois terços da lâmina de vidro condutor (O lado condutor deve receber a pasta de dióxido de titânio preparada anteriormente) e aplique cerca de 1 mL da pasta na região descoberta. Com um bastão de vidro (Ou uma lâmina de vidro) arraste o excesso de pasta para fora da lâmina, devendo permanecer uma camada fina. Veja a Figura 2 para maiores detalhes:
 
 
 
Figura 2. Deposição da pasta de TiO2 e arraste da lâmina para retirar o excesso
 
    Em seguida, retire cuidadosamente as fitas e sinterize o TiO2. Para isso, coloque a lâmina em um forno, com o pado contendo a pasta virado para cima e aqueça a 600°C, por 10 min. Caso não disponha de um forno, coloque a lâmina sobre uma chapa de aquecimento ajustada para aquecimento máximo, por 20 min. A cor deve se tornar ligeiramente mais escura.
Iremos agora adsorver o corante orgânico: com uma pinça, sem tocar a região recoberta por TiO2, mergulhe por 5 min a placa em suco de açaí concentrado (Ou outro suco de sua preferência contendo antocianinas). A cor do TiO2 deve se tornar avermelhada com a adsorção do corante:
 
Figura 3. Processo de adsorção do corante
 
    Após a adsorção, lave a placa cok água destilada e, em seguida, com etanol seco. Com um secados de cabelos, seque bem a placa para eliminar toda umidade. Limpe, cuidadosamente, as regiões que não possuem TiO2 depositado.
 
    A próxima etapa é a preparação do cátodo: limpe a superfície condutora da placa de vidro e pinte com um lápis 6B, para colcoar uma camada de grafite sobre ela. A superfície deverá ficar escura.
Vamos agora montar a célula fotoeltroquímica, conforme a Figura 4, utilizando um clipe para deixar a montagem bem apertada e compacta:
 
 
Figura 4. Montagem da célula fotoeletroquímica
 
    A etapa seguinte consiste em adicionar eletrólito. Adicione duas gotas de uma solução triiodeto até a borda do prato. Ação capilarfará com que a solução KI3 para viajar entre as duas placas. (A solução eletrolítica KI3 consiste de KI 0,5 M e I2 0,05 M em etileno glicol). Observe a Figura 5:
 
 
Figura 5. Adição de eletrólito
 
     O eletrólito penetrará por capilaridade.
    Resta agora testar a célula; com um multímetro com jacarés conectado às extremidades da célula fotoeletroquímica, ligue na escala de tensão e verifique a diferença entre as tensões quando a célula está no escuro e quando está submetida à luz solar.
 
 
     REFERÊNCIAS
  • B. O'Regan, M. Grätzel, Nature 353, 737-739 (1991).
  • 2. A. Kay, M. Grätzel, J. Phys. Chem. 97, 6272 (1993).
  • 3. G.P. Smestad, M. Grätzel, J. Chem. Educ. 75, 752 (1998).

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