Fotocatalisadores de NaTaO3 dopado com Bi para a produção de hidrogênio sob luz solar simulada: diminuição da banda proibida e transições estruturais

Autor(es)

Gustavo Andrade Silva Alves

• Tipo de documento: Dissertação de Mestrado
• Imprenta: São Carlos.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Instituto de Física de São Carlos (IFSC/BT)
• Data de defesa: 2021-04-26

Membros da banca

Renato Vitalino Gonçalves; Lucas Fugikawa Santos; Roberto Manuel Torresi

• Orientador: Renato Vitalino Gonçalves

Resumo

Em vista do cenário global de crescentes preocupações ambientais a respeito da atual dependência em combustíveis fósseis, a divisão fotocatalítica da água tem sido considerada uma das mais promissoras estratégias para a produção limpa de hidrogênio (H2) a partir da água e da luz solar. Apesar dos avanços recentes, observa-se que poucos materiais podem ser aplicados de forma eficiente como fotocatalisadores para esta reação. Neste contexto, o tantalato de sódio (NaTaO3) mostra-se altamente ativo para a evolução de H2, ainda que sua larga banda proibida de 4.0 eV impeça sua aplicação prática sob luz solar. Portanto, diversos métodos para o estreitamento desta banda proibida tem sido recentemente propostos, sendo um destes a dopagem com bismuto. Neste trabalho, NaTaO3 dopado com Bi foi produzido de forma simples pelo método de sal fundido, de modo que a substituição atômica Bi3+-Ta5+ promove a formação de estados eletrônicos na região da banda proibida, permitindo assim a absorção de luz solar simulada (espectro AM 1.5G). Resultados de difração de raios-X revelam que a estrutura da perovskita ortorrômbica, característica do NaTaO3 puro, se converte para uma perovskita pseudocúbica sob baixas concentrações do dopante (0.5-4 mol% Bi). Como consequência destas modificações, o fotocatalisador dopado com Bi apresenta uma significativa evolução de H2 sob luz solar simulada, em contraste com a atividade nula do NaTaO3 puro, sob estas mesmas condições. As mais altas taxas de produção de hidrogênio foram obtidas com NaTaO3 dopado a 3 mol% Bi, possivelmente como resultado conjunto do band gap de 3.6 eV com os ângulos Ta-O-Ta retificados na rede pseudocúbica. Subsequentemente, a atividade catalítica é potencializada e se mantém estável por 110h após a deposição do cocatalisador Ni por pulverização catódica, evidenciando que as nanopartículas de Ni provém abundantes sítios ativos para a evolução de H2 na superfície do NaTaO3 dopado com Bi. (AU)

• Processo FAPESP: 18/25705-0 - Estudo das junções NaTaO3/Fe2TiO5 e NaTaO3/WO3 para a formação de sistemas tandem para a produção de hidrogênio a partir da água e luz solar
• Beneficiário: Gustavo Andrade Silva Alves
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Mestrado