Produção fotocatalítica de hidrogênio utilizando diferentes heteroestruturas de catalisadores de TiO2

Abstract

RESUMO: Atualmente, a busca por fontes de energia que produzam menos impactos ambientais tornou-se um grande desafio. Neste contexto, o processo fotocatalítico de produção de hidrogênio é considerado uma estratégia promissora para obtenção de combustível a partir de fontes renováveis. A compreensão de fatores envolvidos no processo assume um papel de suma importância para alçar sistemas mais ativos. No presente trabalho, catalisadores de dióxido de titânio modificado, dopados com óxido de grafeno reduzido e cobre, foram estudados como fotocatalisadores ternários para a reação de produção de hidrogênio a partir da água. O TiO2 modificado foi sintetizado pelo método de impregnação com refluxo em uma mistura de P25 e isopropóxido de titânio, seguido de tratamento térmico. A segunda etapa constituiu na obtenção de óxido de grafeno reduzido (rGO), utilizando o método de Hummers modificado, seguido de uma redução solvotérmica e térmica. A partir dos materiais sintetizados, foram propostos a formulação de onze catalisadores com percentuais de Cu máximo em 2% e rGO com percentual máximo em 20% sobre dióxido de titânio como suporte, onde foram estudadas o papel fundamental que a composição dos componentes acarretou no processo fotocatalítico, além de variáveis operacionais, como pH, presença ou ausência de reagentes de sacrifício, entre outros, que afetam o sistema. Estruturalmente os catalisadores propostos foram avaliados através de DRX, FTIR, RAMAN, PAS e morfologicamente através de MEV. As reações foram realizadas em reator de quartzo, utilizando solução de etanol (10%) como reagente de sacrifício e lâmpadas de luz ultravioleta de baixa potência como fonte de radiação. Os catalisadores foram analisados qualitativamente e estatisticamente a fim de constatar o efeito de cada componente. A máxima produção de hidrogênio observada ao final de 5 horas de reação foi de 1395,96 ?mol.gcat-1 para o catalisador com 1,8%Cu-7,2%rGO, seguido dos catalisadores do ponto central (1,2%Cu-12,5%rGO), com produção superior a 1200 ?mol.gcat-1, representando um aumento superior a 50 vezes em relação ao TiO2 puro. O catalisador com 1,8%Cu-7,2%rGO foi selecionado para avaliar a variação de pH da reação, diferentes reagentes de sacrifício e testado sobre luz de LED, simulando luz solar

ABSTRACT: Nowadays, the search for energy sources that produce less environmental impact has become a major challenge. In this context, the photocatalytic process for hydrogen production is considered a promising strategy for obtaining fuel from renewable sources. The understanding of factors involved in the process assumes paramount role importance to raise more active systems. In the present work, modified titanium dioxide catalysts doped with reduced graphene oxide and copper were studied as ternary photocatalysts for the reaction of hydrogen production from water. The modified TiO2 was synthesized by the reflux impregnation method in a mixture of P25 and titanium isopropoxide, followed by heat treatment. The second step was to obtain reduced graphene oxide (rGO) using the modified Hummers method, followed by solvothermal and thermal reduction. From the synthesized materials, eleven catalysts were proposed with a maximum Cu percentage of 2% and rGO with a maximum percentage of 20% on titanium dioxide as support, where the fundamental role that the composition of the components entailed in the photocatalytic process was studied, in addition to operational variables, such as pH, sacrificial reagents presence or absence, among others, that affect the system. Structurally the proposed catalysts were evaluated by XRD, FTIR, RAMAN, PAS, and morphologically by SEM. The reactions were carried out in a quartz reactor, using ethanol solution (10%) as sacrificial reagent and low power ultraviolet light lamps as a radiation source. The catalysts were analyzed qualitatively and statistically to verify the effect of each component. The maximum hydrogen production observed at the end of 5 hours of reaction was 1395.96 ?mol.gcat-1 for the catalyst with 1.8%Cu-7.2%rGO, followed by the catalysts of the central point (1.2%Cu-12.5%rGO), with production higher than 1200 ?mol.gcat-1, representing an increase of more than 50 times compared to pure TiO2. The catalyst with 1.8%Cu-7.2%rGO was selected to evaluate the pH variation of the reaction, different sacrificial reagents, and tested over LED light, simulating sunlight