Atividade fotocatalítica e fotoeletroquímica de nanotubos TiO2 impregnados com nanopartículas de metais nobres ou pontos quânticos para aplicação na produção de hidrogênio

Abstract

Nesse trabalho, foi estudada a degradação fotocatalítica de formaldeído com simultânea geração de hidrogênio. Nanotubos (NTs) de TiO2 suportados em Ti foram produzidos por anodização e carregados com nanopartículas (NPs) de Au ou Pt pela técnica de sputtering foram usados como fotocatalisadores. Soluções aquosas de formaldeído foram mineralizadas usando NTs de TiO2 puros ou impregnados com NPs de metais nobres sob irradiação ultravioleta – visível. Foi observado um aumento na taxa de produção de H2 quando NPs de Au ou Pt foram depositadas sobre os NTs em comparação com os NTs puros. Sob as condições experimentais estudadas nesse trabalho, obteve-se um máximo de geração de hidrogênio em cerca de 0,033 μmol.cm-2.h-1 usando NTs TiO2 impregnados com NPs de Au em uma solução contend 40,33 g/L de formaldeído. Por último, mas não menos importante, hidrogênio também foi produzido utilizando uma solução de formaldeído 40,33 g/L e NTs impregnados com NPs de Au sob irradiação de luz visível ( ≥ 400 nm). Também foi construído um reator fotoeletroquímico para o estudo da geração de H2 usando NTs de TiO2 puros ou NTs de sensibilizados com pontos quânticos (PQs) de CdSe. PQs de CdSe foram sintetizados pelo método de injeção à quente. Medidas de fluorescência e UV-Vis mostraram a dependência dos PQs com o tempo de reação. Foram obtidos PQs de 2,3 nm a 3,5 nm. A estabilidade dos PQs foi estudada na presença de diferentes soluções de eletrólitos. Uma solução de eletrólito de 0,01 mol/L of Na2S/Na2SO3 evitou a degradação e oxidação dos PQs que manteve-se estável durante longos periodos de tempo de irradiação. Um máximo de fotocorrente de 4.5 μA e um fotopotencial de 0.10 V foram obtidos utilizando TiO2 NTs sensibilizados com PQs de CdSe como fotoeletrodo, mostrando ser um sistema com eficiente desempenho. Medidas espectroeletroquímicas mostraram a presença de fotocorrente apreciável nos comprimentos de onda de 440 nm, 480 nm e 560 nm. Foi possível demonstrar que pode-se produzir H2 pela degradação fotocatalitica de soluções aquosas contendo formaldeído usando NTs de TiO2 puros ou carregados com NPs de metais nobres. O H2 pode ser produzido usando irradiação UV ou visível. NTs de TiO2 sensibilizados com PQs de CdSe mostraram grande potencial para serem usados como fotoeletrodos para geração de hidrogênio para aplicações mais sofisticada.

In this work, the photocatalytic degradation of formaldehyde with simultaneous generation of hydrogen was studied. Supported TiO2 nanotubes (NTs) produced by anodization and loaded with Au or Pt nanoparticles (NPs) by sputtering technique were used as photocatalysts. Formaldehyde water solutions were mineralized using pure TiO2 NTs or loaded with noble metal NPs under ultraviolet-visible irradiation. It was observed an increase in the H2 production rate when Au or Pt NPs were deposited on the NTs compared to pure NTs. Under the experimental conditions studied here a maximum generation of hydrogen of about 0.033 μmol.cm-2.h-1 was obtained using TiO2 NTs loaded with Au NPs in a solution containing 40.33 g/L of formaldehyde. Last but not least, hydrogen was also produced using only visible light irradiation ( ≥ 400 nm) in a solution containing 40.33 g/L of formaldehyde and TiO2 NTs loaded with Au NPs. A photoelectrochemical reactor was set up for the study of hydrogen generation using pure TiO2 NTs or TiO2 NTs sensitized with CdSe quantum dots (QDs). CdSe QDs were synthesized by the Hot Injection Method. UV and fluorescence measurements showed a dependence of the size of the QDs on the reaction time. QDs from 2,3 nm to 3,5 nm were obtained. The stability of the QDs was studied in the presence of several electrolytic solutions. An electrolyte solution of 0,01 mol/L of Na2S/Na2SO3 avoided the degradation and oxidation of the QDs that remained stables during long period of irradiation time. A maximum photocurrent of 4.5 μA at a photopotential of 0.10 V was obtained using TiO2 NTs sensitized with CdSe QDs as photoelectrode showing the efficient performance of the system. Spectroelectrochemical measurements showed the presence of appreciable photocurrent at a wavelengths of 440 nm, 480 nm and 560 nm. In summary, it was possible to demonstrate that hydrogen can be produced by photocatalytic degradation of water solutions containing formaldehyde using pure TiO2 NTs or loaded with noble metal NPs. Hydrogen can be produced by using UV or visible irradiation. TiO2 NTs sensitized with CdSe QDs showed great potential to be used as photoelectrodes for hydrogen generation for more sophisticated applications.