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ORCID:  http://orcid.org/0000-0003-2976-4939
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Produção de hidrogênio por via fotocatalítica empregando novos compósitos à base de SiO2 revestidos com TiO2
Alternate title (s): Photocatalytic hydrogen production, using new SiO2 based compounds coated with TiO2
Author: Machado, Werick Alves
First Advisor: Machado, Antonio Eduardo da Hora
First member of the Committee: Ferrari, Jefferson Luis
Second member of the Committee: Cristovan, Fernando Henrique
Third member of the Committee: Assunção, Rosana Maria Nascimento de
Fourth member of the Committee: Junior, Mário Godinho
Summary: Desenvolver um sistema fotocatalítico e um fotocatalisador altamente eficiente, ainda é um desafio no âmbito da ciência dos materiais. Neste contexto, o presente estudo teve como finalidade sintetizar novos fotocatalisadores do tipo core@shell, utilizando o SiO2 como suporte estrutural revestindo-o com TiO2. Os compósitos de SiO2@TiO2 foram sintetizados em diferentes proporções, sendo 25, 50 e 75% m/m de sílica em relação a massa de TiO2 via método sol-gel modificado, empregando a acetona como cosolvente de hidrólise do precursor de titânio. Em seguida, os fotocatalisadores foram caracterizados e o revestimento do SiO2 foi comprovado por imagens de microscopia eletrônica de varredura juntamente com os espectros de infravermelho. As isotermas de adsorção e dessorção de N2 demonstraram que os compósitos são materiais mesoporosos com tamanho médio de poro entre 3 a 4 nm com aproximadamente 20% de porosidade. A área superficial dos óxidos revestidos aumentou cerca de 26% em relação ao óxido não revestido. Os difratogramas junto aos espectros Raman revelaram materiais cristalinos com a coexistência das fases anatase (principal) e broquita (secundária). Além disso, os difratogramas refinados pelo método Rietveld demonstraram que os compósitos mantiveram uma proporção de aproximadamente 75 e 25% de fase anatase e broquita, respectivamente. A energia de band gap dos compósitos sintetizados foi ligeiramente superior ao óxido padrão (3,2 eV). Após a caracterização, o potencial fotocatalítico dos compósitos foi avaliado através da produção fotocatalítica de H2 sob irradiação UV-vis em escala de bancada. O compósito mais eficiente (W50S50) produziu 13,5 mmols de H2 em cinco horas de experimento, correspondendo a uma taxa especifica de produção de H2 de 32,5 mmol h-1 g-1. Nos ensaios de reuso, este mesmo compósito apresentou estabilidade na produção de H2. No entanto, observou-se uma redução na produção de aproximadamente 23% entre o primeiro e o último ciclo, devido ao consumo do reagente de sacrifício. Em seguida, o compósito foi submetido a experimentos de produção de H2 em simulador solar, produzindo cerca de 25,0 μmols, o equivalente a 48,0 μmols h-1 g-1, valor superior ao reportado na literatura em estudos realizados em condições similares. Por fim, foi avaliada a eficiência deste compósito em produzir H2 utilizando o glicerol como reagente de sacrifício em diversas concentrações, alcançando uma produção, nas melhores condições, apenas 1,75 mmols correspondendo a taxa de 4,2 mmols h-1 g-1.
Abstract: Developing a photocatalytic system and a highly efficient photocatalyst is still a challenge in the field of materials science. In this context, the present study aimed to synthesizing new core@shell photocatalysts, using SiO2 as a structural support and coating it with TiO2. The SiO2@TiO2 composites were synthesized in different proportions, with 25, 50, 75% w/w silica in relation to the TiO2 mass via modified sol-gel method, using acetone as a hydrolysis cosolvent for the titanium precursor. Then, the photocatalysts were characterized and the SiO2 coating was confirmed by scanning electron microscopy images together with the infrared spectra. The adsorption and desorption isotherms of N2 demonstrated that the composites are mesoporous materials with an average pore size between 3 to 4 nm with approximately 20% porosity. The surface area of coated oxides increased by 26% compared to uncoated oxide. Diffractograms and Raman spectra revealed crystalline materials with the coexistence of the anatase phases, as the main phase, and brookite as the secondary phase. In addition, diffractograms refined by the Rietveld method demonstrated that the composites maintained a proportion of approximately 75 and 25% of anatase and brookite phase, respectively. The band gap energy of the synthesized composites was slightly higher than the standard oxide (3.2 eV). After characterization, the photocatalytic potential of the composites was evaluated through the photocatalytic production of H2 under UV-vis irradiation on a bench scale. The most efficient composite (W50S50) produced 13.5 mmols of H2 in five hours of experiment, corresponding to a specific rate of H2 production of 32.5 mmol h-1 g-1. In the reuse assays, this same composite presented excellent stability in H2 production. However it was observed a reduction in its production of approximately 23% between the first and the last cycle, due to the consumption of sacrificial reagent. Then, this same composite was submitted to H2 production experiments in a solar simulator, producing about 25.0 μmols, equivalent of 48.0 μmols h-1 g-1, a value much higher than that reported in the literature in studies conducted under similar conditions. Finally, the efficiency of this composite in producing H2 using glycerol as a sacrifice reagent was evaluated using different concentrations of glycerol, achieving a production, under the best conditions, of only 1.75 μmols, corresponding to rate of 4.2 μmols h-1 g-1.
Keywords: core@shell
síntese sol-gel
atividade fotocatalítica
water splitting
glicerol
core@shell
sol-gel synthesis
photocatalytic activity
water splitting
glycerol
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA INORGANICA::FOTO-QUIMICA INORGANICA
Subject: Química
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Química
Quote: MACHADO, Werick Alves. Produção de hidrogênio por via fotocatalítica empregando novos compósitos à base de SiO2 revestidos com TiO2. 2020. 115 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2020. Disponível em: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2020.564
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2020.564
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/29743
Date of defense: 20-Jul-2020
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