Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/46605
ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-7777-2864
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Development and optoelectronic characterization of photoactive materials for photo(electro)reforming of industrial waste streams and low carbon hydrogen evolution
Alternate title (s): Desenvolvimento e caracterização optoeletrônica de materiais fotoativos para a foto(eletro)reforma de efluentes industriais e produção de hidrogênio de baixo carbono
Author: Nascimento, Lucas Leão
First Advisor: Patrocinio, Antonio Otavio de Toledo
First member of the Committee: Hori, Carla Eponina
Second member of the Committee: Souza, Flavio Leandro de
Third member of the Committee: Alonso, Christian Gonçalves
Fourth member of the Committee: Silva, Luciana Almeida da
Summary: Este trabalho tem como foco o desenvolvimento e a caracterização de novos materiais fotocatalíticos e fotoanodos capazes de absorver luz visível para promover a foto(eletro)reforma de substratos orgânicos, especialmente de derivados de biomassa, com o objetivo de produzir hidrogênio de baixo carbono e produtos de oxidação de alto valor agregado. Estratégias sintéticas hidrotérmicas e solvotérmicas foram empregadas para introduzir vacâncias de oxigênio e dopantes em óxidos semicondutores de bandgap elevado, como Bi2WO6, Nb2O5 e TiO2, aumentando a absorção de luz visível. Além disso, oxinitreto de titânio e nióbio (NbTiON) e Covalent Organic Frameworks (COFs) foram sintetizados como fotocatalisadores alternativos com propriedades optoeletrônicas modulares. Os materiais obtidos foram caracterizados por diferentes técnicas a fim de elucidar a morfologia, propriedades optoeletrônicas e a dinâmica dos portadores de carga. Os fotocatalisadores mais promissores foram imobilizados na forma de filmes para a fabricação de fotoanodos, os quais foram avaliados sob irradiação solar simulada (AM 1.5G, 100 mW cm 2) e luz visível (λ > 420 nm, 100 mW cm 2) em células fotoeletroquímicas (PECs) contendo glicerol ou flegmaça. PECs com fotoanodos de BiVO4 dopados com 5% m/m de Nb5+ converteram 91,4% do glicerol com 88,9% de seletividade para formação de ácido fórmico após 5 horas de irradiação de luz solar simulada, alcançando uma velocidade de evolução de H2 (HER) de 4,2 μmol H2 cm 2 h 1 (84% maior do que o obtido com o BiVO4 não modificado). Ademais, a inserção de vacâncias de oxigênio foi empregada para melhorar o desempenho de fotoanodos à base de Bi2WO6 frente à conversão do glicerol bruto, elevando a conversão de 17,0% para 24,5%. Concomitantemente, a HER aumentou de 32 para 63 μmol h 1 cm 2. Explorando novos materiais, as propriedades de COFs baseados em tiofeno foram moduladas por meio da conversão da ligação imina em amida, resultando em um aumento de 300% na HER. Esses resultados destacam os benefícios da inserção de defeitos estruturais, dopagem e rotas sintéticas alternativas na modulação das propriedades optoeletrônicas e catalíticas de semicondutores. De forma geral, este trabalho avança no design de materiais e fotoeletrodos eficientes, estáveis e abundantes para a valorização de biomassa e produção de hidrogênio impulsionadas pela energia solar.
Abstract: This work focuses on the development and characterization of novel photocatalytic materials and photoanodes capable of harvesting visible light to promote the photo(electro)reforming of organic substrates, especially real industrial biomass derived waste streams, aiming at the production of low carbon hydrogen and value added oxidation products. Hydrothermal and solvothermal synthetic strategies were employed to introduce oxygen vacancies and dopant species into wide bandgap semiconductor oxides such as Bi2WO6, Nb2O5, and TiO2, effectively narrowing their band gaps and enhancing visible light absorption. Additionally, oxynitride materials (NbTiON) and covalent organic frameworks (COFs) were synthesized as alternative photocatalysts with tunable optoelectronic properties. The obtained materials were comprehensively characterized by different techniques to elucidate their morphology, optoelectronic properties, and charge carrier dynamics. The most promising photocatalysts were immobilized as thin films to fabricate photoanodes, which were evaluated under simulated solar (AM 1.5G, 100 mW cm 2) and visible irradiation (> 420 nm, 100 mW cm 2) in photoelectrochemical cells (PECs) containing glycerol or flegmass as sacrificial agents. PECs with BiVO4 photoanodes doped with 5 wt.% Nb have converted 91.4% of glycerol with 88.9% selectivity toward formic acid formation after 5 hours of simulated sunlight illumination, achieving a H2 evolution rate (HER) of 4.2 μmol H2 cm 2 h 1. This value is 84% higher than that of unmodified BiVO4. Additionally, oxygen vacancies engineering was employed to improve the photoelectrocatalytic performance of Bi2WO6 based photoanodes towards crude glycerol conversion, from 17.0% for the pristine oxide to 24.5%. Concomitantly, HER was enhanced from 32 to 63 μmol h 1 cm 2. Looking at new materials for photoreforming, the properties of thiophene based COFs were modulated through linkage conversion from imine to amide resulting in a 300% increase in the photocatalytic HER compared to its imine form. These findings highlight the synergistic benefits of defect engineering, doping, and alternative synthetic pathways in tailoring the optoelectronic and catalytic properties of semiconductors. Overall, this work advances the design of efficient, stable, and abundant photoelectrodes for solar driven biomass valorization and hydrogen production.
Keywords: Photoreforming
Fotorreforma
PEC
Hydrogen
COF
Glycerol
Glicerol
Flegmass
Flegmaça
Energy conversion
Conversão de Energia
Defect engineering
Defeitos estruturais
Biomass valorization
Valorização de biomassa
Química
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA INORGANICA
Subject: Química
Catálise
Fotoeletroquímica
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Química
Quote: NASCIMENTO, Lucas Leão. Development and optoelectronic characterization of photoactive materials for photo(electro)reforming of industrial waste streams and low carbon hydrogen evolution. 2025. 185 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.471.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.471
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/46605
Date of defense: 25-Jul-2025
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos.
Appears in Collections:TESE - Química

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