masterThesis
Sensibilização de estruturas nanotubulares de pentóxido de tântalo com nanopartículas bimetálicas formadas de prata e ouro para produção de hidrogênio
Autor
SALES, Letícia Bazante Velôzo de
Institución
Resumen
Na busca por fontes de energias renováveis, o hidrogênio (H₂) vem sendo considerado o combustível do futuro. Neste sentido, fotocatalisadores nanométricos são interessantes, pois possuem alta área superficial específica o que favorece as reações catalíticas. Deste modo, este trabalho teve como objetivo o processo de síntese e caracterização de matrizes nanotubulares de pentóxido de tântalo (NT(s)Ta₂O₅) para utilização em fotocatálise com ênfase na produção de H₂ a partir da quebra da molécula de água utilizando energia solar. Como inovação, destaca-se o crescimento de nanopartículas bimetálicas de prata e ouro (BNP_AgAu) que foram depositadas na superfície dos nanotubos de Ta₂O₅ visando aumentar a absorção de radiação na região visível do espectro solar desses nanocompósitos, visto que os NT(s)Ta₂O₅ absorvem radiação apenas na região ultravioleta. As estruturas nanotubulares foram formadas pelo processo de anodização a partir de chapas de tântalo metálico. As BNP_AgAu foram sintetizadas pelo método de redução química, In Situ, tendo como precursores soluções de AgNO₃ e HAuCl₄. Esta rota sintética foi utilizada para a síntese das nanopartículas em solução coloidal bem como para depositá-las sobre a superfície dos NT(s)Ta₂O₅. As BNP_AgAu não foram funcionalizadas. Três condições de BNP_AgAu com diferentes concentrações de ouro foram preparadas. A fim de comparar os resultados obtidos foram realizadas sínteses de nanopartículas monometálicas de prata (NP_Ag) e de ouro (NP_Au) em solução coloidal e também depositadas sobre os NT(s)Ta₂O₅ As amostras foram caracterizadas morfológica e estruturalmente mediante as técnicas de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV); Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET); Espectroscopia por Energia Espalhada de Raios X (EDS); Espectroscopia UltravioletaVisível (UV-VIS); Espectroscopia por Reflectância difusa (DRS) e Difração de Raios X (DRX). A quantificação da produção de H₂ foi avaliada pela cromatografia gasosa (GC). Foram realizadas reações de fotogeração de H₂ utilizando os materiais sintetizados como fotocatalisadores durante 8 horas de reação. Os resultados mostram que foram obtidas estruturas de nanopartículas bimetálicas de AgAu do tipo core-shell, que a concentração de Au influência na estrutura dessas nanopartículas e consequentemente na produção de H₂. Verifica-se uma melhora na absorção dos NT(s)Ta₂O₅ decorados com BNP_AgAu, visto que foram obtidas bandas de absorção também na região visível e um deslocamento do λmáx de 452 nm a 490 nm para as amostras contendo as BNP_AgAu, dependente da espessura do shell formado em consequência da variação da concentração de Au. A amostras de NT(s)Ta₂O₅ decorados com as BNP_AgAu tendo esta amostra 0,22 mL de Au foi a de resultado mais significativos dentre as amostras de NT(s)Ta₂O₅ com as bimetálicas tendo sido obtido 1.583,7 μmol/g do gás, que corresponde a um aumento na eficiência de 142% em relação a matriz nanotubular não decorada. Entretanto, o melhor desempenho fotocatalítico foi apresentado pelas amostras de NT_Au tendo um aumento de 377% a mais que o NT(s)Ta₂O₅ não decorados, que corresponde a 3.126,7 μmol/g de H₂ gerado. Desta forma, os nanocompósitos tendo como base nanopartículas bimetálicas de Ag e Au depositadas sobre a superfície dos NT(s)Ta₂O₅ são eficientes para a fotogeração de H₂ por meio da reação de quebra das moléculas da água. CNPq FACEPE In the search for renewable energy sources, hydrogen (H₂) is being considered the fuel of the future. In this sense, nanometric photocatalysts are interesting, since they have high specific surface area which favors the catalytic reactions. This work aimed the synthesis and characterization of nanotubular matrices of tantalum pentoxide (NT(s)Ta₂O₅) for their use in photocatalysis with emphasis on H₂ production from the breakdown of the water molecule, using solar energy. As an innovation, this study highlight the synthesis of silver and gold bimetallic nanoparticles (BNP_AgAu) deposited on the surface of the Ta₂O₅ nanotubes in order to increase the absorption of radiation in the visible region of the solar spectrum of these nanocomposites, once the NT(s)Ta₂O₅ absorbs only radiation in the ultra violet region. The nanotubular structures were synthetized by the anodizing process from metallic Ta sheets. The BNP_AgAu were synthesized by chemical reduction method, in situ, having precursors solutions of AgNO3 and HAuCl4. This synthetic route was used to synthesize the nanoparticles in colloidal solution as well as to deposit them on the surface of NT(s)Ta₂O₅. These BNP_AgAu were not functionalized. Three BNP_AgAu with different concentrations of gold were prepared. In order to compare the obtained results, silver (NP_Ag) and gold (NP_Au) nanoparticles in colloidal solution were also synthesized and deposited on NT(s)Ta₂O₅. The samples were characterized morphologically and structurally by Scanning Electron Microscopy (SEM) techniques; Transmission Electron Microscopy (MET); X-ray Scattered Energy Spectroscopy (ESD); Ultraviolet Visible Spectroscopy (UV-VIS); Diffuse Reflectance Spectroscopy (DRS) and X-Ray Diffraction (XRD). H₂ production quantification was evaluated by gas chromatography (GC). The H₂ photogeneration reactions were performed using the synthesized materials as photocatalysts for 8 hours. The results shown AgAu bimetallic nanoparticles were core-shell like structures and the Au concentration had influence on the structure of these nanoparticles and, consequently, on H₂ production. It was observed an improvement in absorption of NT(s)Ta₂O₅ decorated with BNP_AgAu, since absorption bands were also obtained in visible region and a shift of λmáx from 452 nm to 490 nm for samples containing BNP_AgAu. This shift depends on the formed shell thickness as a consequence of variation in Au concentration. The NT(s)Ta₂O₅ decorated with BNP_AgAu using 0.22 mL of Au had the most significant result among other NT(s)Ta₂O₅ decorated with bimetallics NP, with an yield of 1,583.7 umol/g for gas production, corresponding an increase of 142% efficiency when compared with not decorated nanotubular matrix. However, the best photocatalytic performance was obtained by the samples of NT_Au, with an increase of 377% more than the NT(s)Ta₂O₅ not decorated, corresponding to 3,126.7 μmol / g of generated H₂. Thus, nanocomposites based on bimetallic nanoparticles of Ag and Au deposited on the surface of NT(s)Ta₂O₅ are efficient for the photogeneration of H₂ by water splitting reaction.