Nanotubos de TiO₂ sensibilizados com nanopartículas de Ag e Au para produção de H₂ por fotocatálise da H₂O

Abstract

O desenvolvimento da fotocatálise tem recebido considerável atenção nos últimos anos em especial para aplicação ambiental e campos relacionados com a energia. Nesse sentido, a produção de Hidrogênio (H₂) tem atraído grandes olhares, pois no futuro será uma forma promissora e importante de gerar energia limpa e renovável. O presente estudo tem como objetivo o desenvolvimento e a caracterização de fotocatalisadores eficientes que possam aumentar a produção de H₂ a partir do processo de fotocatálise de água por meio da radiação solar. A matriz nanotubular foi sintetizada pelo processo de oxidação anódica (anodização) e submetida a tratamento térmico para obtenção da fase cristalina anatase. A síntese das nanopartículas bimetálicas foi desenvolvida por meio da reação de substituição galvânica. A caracterização foi obtida através da análise de Espectroscopia Ultravioleta-Visível (UV-Vis) no modo Reflectância Difusa, Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET), Difração de Raios X (DRX) e Espectrometria de Emissão Óptica com Plasma (ICP-OES). A quantificação do H₂ gerado durante a simulação fotocatalitica da água foi realizada usado cromatografia gasosa (GC-DCT). A partir das micrografias morfológicas obtidas pelo MEV para as matrizes nanotubulares, constatou-se que os nanotubos de TiO₂ obtidos estavam ordenados e com um diâmetro regular, apresentando diâmetro médio de 93,1 ± 16,91 nm e comprimento médio de 14,69 ± 1,24 μm. A análise de EDS indicou a presença de Ag e Au na superfície dos nanotubos. A análise de MET indicou que as nanopartículas mono e bimetálicas sintetizadas apresentaram forma esférica e que possivelmente nas nanopartículas bimetálicas os átomos de Ag e Au estão dispostos na nanopartícula na forma de liga. Foi possível a determinação do diâmetro médio das nanopartículas, que apresentaram diâmetros inferiores a 10 nm (com exceção da 2 população identificada para a amostra contendo apenas NPs de Ag). O cálculo dos números mágicos indicou que a amostra contendo apenas NPs de Au possui a maior possibilidade de sítios ativos em sua superfície (33,02 %) o que irá favorecer a fotogeração de H₂. Pela análise de reflectância difusa foi possível identificar as bandas plasmônicas referentes as nanopartículas de Ag (430 nm (Ag1) e 458 nm (Ag2)) e Au (569 nm (Au1) e 549 nm (Au2)), e apenas uma única banda plasmônica para as amostras bimetálicas com máx na região do Au, a qual alguns autores indicam a formação de bimetálicas na forma de liga (CSAPÓ et al., 2012; MALLIN; MURPHY, 2002). Todos os fotocatalisadores sintetizados apresentaram atividade fotocatalítica. A adsorção de nanopartículas de Ag e Au em nanotubos de TiO₂ diminuiu a recombinação do par de elétron/buraco aumentando a eficiência fotocatalítica do material. No entanto a adição de NPs Au ao fotocatalisador mostrou-se superior as demais amostras sintetizadas, pois aumentou a produção de H₂ em 67 vezes em relação ao TiO₂ puro, correspondendo a 4,04 mMol.g⁻¹ de H₂.