Fotocatalisadores baseados em titanato de estrôncio para produção de hidrogênio verde através da fotólise da água: estudo da dopagem com molibdênio e formação de junções p - n

Autor(es)

Hígor Andrade Centurion

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Carlos.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Instituto de Física de São Carlos (IFSC/BT)
• Data de defesa: 2023-05-05

Membros da banca

Renato Vitalino Gonçalves; Rose Maria Carlos; Gregorio Couto Faria; Jesum Alves Fernandes; René Alfonso Nome Silva

• Orientador: Renato Vitalino Gonçalves

Resumo

Os problemas associados ao uso de combustíveis fósseis, como emissão de gases de efeito estufa e esgotamento de suas reservas naturais, demandam o desenvolvimento de novas fontes de energia, sobretudo renováveis e limpas. Neste contexto o hidrogênio verde proveniente da fotólise da água utilizando fotocatalisadores em suspensão é uma importante estratégia para explorar a luz solar como fonte de energia e produzir um combustível com alta densidade energética e livre de emissão de CO2. Devido as suas propriedades eletrônicas, o SrTiO3 é um material promissor para atuar como fotocatalisador na reação de fotólise da água. Contudo, limitações intrínsecas como largo bandgap (~3,2 eV) e altas taxas de recombinação de cargas fotogeradas, acabam por cercear seu potencial fotocatalítico. Neste trabalho, buscou-se otimizar a atividade fotocatalítica do SrTiO3 pela incorporação de íons de Mo6+ como dopante bem como pela utilização de nanopartículas de NiO@Ni(OH)2 ou Rh2O3/CrxO3 como cocatalisadores. O SrTiO3 puro e dopados com Mo, foi sintetizado pelo método do sal fundido e posteriormente decorado com nanopartículas de níquel utilizando a técnica de pulverização catódica e Rh2O3/CrxO3 por impregnação. Associado a inserção do Mo6+ como dopante, foi observado uma drástica redução da recombinação de cargas fotogeradas e atividade fotocatalítica sob irradiação visível, atribuído a níveis eletrônicos intermediários, previstos por simulações teóricas e por medidas de reflectância difusa na região UV-Vis. A deposição de nanopartículas de NiO@Ni(OH)2 e Rh2O3/CrxO3 foi associada a melhora da separação de cargas devido a formação de junções p n, cujas simulações de alinhamento de bandas indicam que estes cocatalisadores atuaram como armadilhas de buracos, e sítios de oxidação da água. A supressão da recombinação de cargas fotogeradas foi confirmada a partir de medidas de fotoluminescência. Em sua configuração mais otimizada, o SrTiO3 dopado com Mo e decorado com níquel, na presença de água e metanol (20 vol%), apresentou taxas de evolução de H2 de 20 µmol h-1 e AQY de 2,58%, sendo mais de 30 vezes superior ao SrTiO3 como preparado. Enquanto o Mo:SrTiO3/Rh2O3/CrxO3 exibiu expressiva atividade fotocatalítica em água pura, com taxa de evolução de H2 de aproximadamente 100 µmol h-1 e AQY de 5,4%. Dessa forma, este trabalho demonstrou que o SrTiO3 dopado com Mo, possui excelente potencial para aplicação como fotocatalisador na produção de H2, especialmente após a deposição de catalisadores. (AU)

• Processo FAPESP: 18/11059-0 - Estudo das propriedades eletrônicas e estruturais das junções SrTiO3/Fe2TiO5, SrTiO3/BiVO4 e SrTiO3/CuWO4 para a formação de sistemas tandem para a produção de hidrogênio a partir da água e luz solar
• Beneficiário: Higor Andrade Centurion
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto