Síntese, caracterização e avaliação da atividade fotocatalítica de BiTa(Nb)O4 dopados com cromo e molibdênio na geração de hidrogênio

Abstract

Hidrogênio obtido a partir de água é uma atrativa fonte de energia, visto que pode ser produzido por fontes renováveis e inesgotáveis, e é não poluente. Atualmente, a principal forma de produção de hidrogênio é através da reforma catalítica de gás natural; porém, um novo processo baseado na fotólise da água com auxílio de semicondutores fotocatalíticos é considerado uma alternativa promissora. Diversos materiais já foram testados e outros desenvolvidos com o intuito de aumentar a atividade fotocatalítica na decomposição da água, dentre estes estão o niobato e o tantalato de bismuto (BiNbO4 e BiTaO4), fotocatalíticamente ativos quando irradiados com luz ultravioleta. No entanto, é possível que modificações químicas e nas dimensões de partículas resultem em melhor atividade. O método citrato de precursores poliméricos foi empregado para preparar BiTaO4 e BiNbO4 com a determinação da temperatura ideal de polimerização empregando técnicas termoanalitícas, e um estudo exploratório da temperatura mínima de calcinação foi realizado para obtenção da fase pura desejada, confirmada por difratometria de raios X. A fim de ativar os semicondutores com radiação visível foi realizada a dopagem desses semicondutores com íons de metais de transição, Cr(III) e Mo(V), com concentrações que variaram de 1 – 4% (mol/mol), e um estudo de como as energias de band gap sofreram modificações. Foi observado que a atividade fotocatalítica dos óxidos dopados com molibdênio ou cromo, nas condições avaliadas, é fortemente influenciada pelos teores dos metais e a amostra que apresentou melhor atividade fotocatalítica na geração de hidrogênio foi BiTaO4 dopado com Cr(III) a 2%. Os resultados desse trabalho podem contribuir para o desenvolvimento de sistemas fotoquímicos eficientes empregados na produção fotocatalítica de hidrogênio, utilizando matérias- primas abundantes, renováveis e ambientalmente amigáveis, como água e luz solar.

Hydrogen obtained from water is an attractive energy source, since it can be produced by renewable and inexhaustible primary source, besides it is not pollutant. Nowadays, the principal form of hydrogen production is through catalytic reform of natural gas; although, a new process based on water splitting, with the support of photocatalytic semiconductors, is considered a promising alternative. Many materials have already been tested and developed with the intention of increasing the photocatalytic activity for water splitting, in which are present bismuth niobates and tantalates (BiNbO4 e BiTaO4), photocatalyticly active under UV light irradiation. However, it is possible that chemical modifications and modifications in particle dimensions result in better activity. The citrate method of polymeric precursors was used to prepare BiTaO4 e BiNbO4 with the determination of the ideal temperature of polymerization using thermoanalytical techniques, and an exploratory study of the minimal temperature of calcination was used to obtain a pure desired phase, confirmed by X rays diffractometry. In order to activate the semiconductors with visible radiation, a doping of these semiconductors with ions of transition metals, Cr(III) and Mo(V), with concentrations that ranged from 1 – 4% (mol/mol), and a study of how the band gap energies suffered modifications. The results suggest that the type and the concentration of metal doping exercise great influence on the crystalline structure and morphology of the oxides. While Cr(III) favors a beta phase (triclinic), Mo(V) favors an alpha phase (orthorhombic). Also, the presence of Cr(III) induces the formation of materials with more homogeneous morphologies and size of particles smaller than the obtained in presence of Mo(V). It was observed that a photocatalytic activity of the doped oxides with Molybdenum or Chromium, in the evaluated conditions, is strongly influenced by the metal concentrations and the sample that presented the best photocatalytic activity in hydrogen generation was BiTaO4 doped with Cr(III) at 2%. The experimental ratio H2/CO2, in this case, is much higher than the theoretical, suggesting that the isopropyl alcohol is not completely mineralized. The results of this work can contribute for the development of efficient photochemical systems applied in the photocatalytic production of hydrogen, using raw material in abundance, renewable and environmentally friendly like water and solar light.