Desenvolvimento de nanopartículas semicondutoras heteroestruturadas para conversão de metano por processo fotoeletrocatalítico

Resumo

O aquecimento global e o descarte de resíduos estão entre as principais preocupações ambientais que enfrentamos hoje. A pecuária (especialmente o gado) e diversos resíduos agroindustriais podem gerar e, portanto, liberar grandes toneladas de dióxido de carbono e metano na atmosfera por ano. Depois do dióxido de carbono, o metano é considerado o segundo gás de efeito estufa mais importante em termos de impacto no clima. Há um grande interesse em desenvolver tecnologias capazes e viáveis que possam converter esses gases de efeito estufa disponíveis em produtos de valor agregado, reduzindo assim sua emissão para a atmosfera. O dióxido de carbono tem sido freqüentemente mais estudado do que o metano. Como resultado, alguns materiais como cobre, prata, estanho e bismuto já exibiram bom desempenho. No entanto, as estratégias de recuperação e conversão de metano têm demandado uma grande quantidade de energia e, portanto, apresentam custos proibitivos. As técnicas eletroquímicas são particularmente desejáveis para substituir as limitações da catálise térmica tradicional, uma vez que não contêm fósseis e são sustentáveis. Parte da eletricidade necessária para conduzir a eletrocatálise do metano pode ser fornecida pela energia solar, uma fonte de energia sustentável e barata. Este híbrido foto / elétron combinado com catalisadores adequados pode superar essas barreiras energéticas mesmo em baixas temperaturas (<100 ° C) e permitir um melhor controle da seletividade, ou seja, transformar o metano em moléculas orgânicas lucrativas. As estruturas semicondutoras são as mais favoráveis para esses tipos de reações, embora a maioria delas tenha alcançado baixa eficiência para a oxidação parcial ou seletiva do metano em produtos de valor agregado. Por outro lado, heteroestruturas complexas demonstraram resultados bem-sucedidos para reações fotoeletrocatalíticas heterogêneas, uma vez que parte da estrutura atua como um cátodo (normalmente um semicondutor do tipo p), enquanto a outra parte atua como um ânodo (semicondutor do tipo n). Uma compreensão adequada das diferentes partes do sistema é essencial para aumentar a eficiência. No entanto, ainda é pouco explorado na literatura. Fatores como o papel do fotoeletrocatalisador, reações nas interfaces (eletrodo / eletrólito) e mecanismo de reação podem fornecer informações essenciais para controlar a extensão da reação. Esse controle pode permitir a produção de radicais hidroxila (* OH) que reagem em locais específicos de metano com uma determinada taxa de energia para produzir produtos químicos específicos (combustível líquido, por exemplo). Ao longo dessas linhas, uma célula eletroquímica composta por fotoeletrocatalisadores nanoparticulados complexos compostos por duas fases alinhadas epitaxialmente anexadas é desejada. Em estudos anteriores, as nanopartículas heteroestruturadas TiO2: SnO2, WO3: TiO2 e g-C3N4 / Nb2O5 mostraram-se eficientes para a oxidação de diferentes poluentes emergentes em água e possuem potencial suficiente para oxidar metano. A partir dessa perspectiva, esse tipo de material pode ser um forte candidato para obter uma conversão econômica, mais eficiente e ambientalmente atrativa de metano em produtos de valor agregado. Neste contexto, este projeto visa desvendar o papel de cada um dos catalisadores mencionados e os seus mecanismos de reação. Os catalisadores serão sintetizados, e algumas condições pré-definidas, como potenciais, presença de agentes oxidantes e uso de aceptor de elétrons serão avaliadas. Técnicas de caracterização avançadas como XRD, fisissorção de N2, SEM-FEG e TEM in situ serão empregadas para apoiar os estudos dos catalisadores. Técnicas como XPS e FTIR serão realizadas para entender as reações cinéticas de formação do produto. Por fim, RMN e CG serão utilizados para identificar os compostos formados. O resultado da pesquisa proposta indicará o melhor fotoeletrocatalisador para obtenção de produtos lucrativos tanto em meio líquido quanto gasosos. (AU)