Orientador: Prof. Dr. Wendel Andrade Alves / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia/Química, 2016. / Nanotubos de titanato tem atraído muita atenção devido a suas propriedades únicas,
que permitem sua aplicação em catálise, fotocatálise, e no desenvolvimento de dispositivos de
conversão de energia. No entanto, esses materiais são capazes de absorver somente radiação
UV, o que torna necessária sua sensibilização frente à radiação visível que pode ser feito
através da dopagem ou sensibilização com corantes. Neste trabalho, nanotubos de titanato
foram preparados através da síntese hidrotérmica alcalina e dopados usando um método de
troca iônica seguida por uma etapa de calcinação a 200 ºC e 400 ºC, resultando em duas séries de catalisadores: nanotubos de titanato dopados com nitrogênio (NTiNTs) e nanotubos de dióxido de titânio dopados com nitrogênio (NTiO2NTs), respectivamente. A caracterização
destes materiais revelou que a temperatura de calcinação afeta a intensidade de cor, área
superficial, energia band gap e natureza da espécie de nitrogênio dopante. Os catalisadores
NTiO2NTs reúnem as propriedades que os qualificam como melhores fotocatalisadores, sendo
capazes de degradar de 1,8% (m/m, massa de corante degradado por 100g de catalisador) a
2,9%, enquanto os NTiNTs foram capazes de degradar somente de 0,17%mg mg-1 a 0,60%.
Os catalisadores NTiNTs e NTiO2NTs também foram sensibilizados com ftalocianina
de cobre(II) tetracarboxilada. Observou-se que a sensibilização não afeta a forma nem a
estrutura cristalina dos nanotubos, no entanto, ela promove alterações nas propriedades
superficiais levando a interações diferenciadas entre os tubos. Esses materiais foram aplicados na degradação de rodamina B através de mecanismos de fotocatálise e catálise mediada por H2O2. Observou-se que os catalisadores sensibilizados apresentam eficiência fotocatalítica cerca de 50% menor do que os materiais não sensibilizados. No caso da catálise mediada por H2O2 a sensibilização aumenta a atividade catalítica, podendo atingir 100% de eficiência.
Por fim, foram desenvolvidos novos eletrodos multi-hierárquicos baseados em filmes
de nanobastões de óxido de zinco (ZnONR) decorados com nanotubos de titanato, utilizando
glicina como uma ponte para promover o aumento da interação entre as estruturas. Estes
eletrodos foram aplicados como fotoanodos no desproporcionamento fotoeletroquímica da
água, gerando O2 e H2. Os resultados mostraram que a heterojunção dos dois óxidos metálicos leva a um aumento da eficiência fotoeletroquímica. Desse modo, os eletrodos multihierárquicos são capazes de produzir correntes de geração de O2 de 0,90 mA cm-2 (a 1,23 V vs ERHE), enquanto os eletrodos de ZnONR puros produzem 0,45 mA cm-2. O potencial de evolução de O2 também diminui de 0,8 V (vs ERHE) para eletrodos de TiNTs para 0 V no
caso dos eletrodos multi-hierárquicos. / Titanate nanotubes have attracted much attention due do their unique properties which
allow their application in catalysis, photocatalysis and energy conversion devices
development. However, this material is able to absorb only UV radiation making necessary its
sensibilization toward visible radiation that can be done through doping or dye sensibilization.
In this work, titanate nanotubes were prepared through alkaline hydrothermal synthesis and
doped using an ion exchange methodology followed by a calcination step at 200 ºC and
400ºC, resulting in two series of catalysts: nitrogen doped titanate nanotubes (NTiNTs) and
nitrogen doped titanium dioxide nanotubes (NTiO2NTs), respectively. The characterization of
these materials revealed that the calcination temperature affects color intensity, surface area,
band gap energy and nature of doping nitrogen species. The NTiO2NTs catalysts gather the
properties that qualify them as better photocatalysts, being capable of degrading from 1,8%
(m/m, degraded dye mass by 100 g of catalyst) to 2,9%, whereas the NTiNTs are capable of
degrading only 0,17% to 0,60%.
The catalysts NTiNTs and NTiO2NTs were also sensitized with tetracarboxylate
cooper(II) phthalocyanine. It has been observed that the sensibilization does not affect the
morphology or crystalline structure of the nanotubes; however, it promotes changes on the
surface properties leading to differentiated interactions between the tubes. These materials
were applied on rhodamine B degradation through mechanisms of photocatalysis and catalysis mediated by H2O2. It was observed that the sensibilized catalysts exhibit photocatalytic efficiency of about 50% lower than nonsenbilized materials. In the case of catalysis mediated by H2O2 the sensibilization increases catalytic activity, which can reach 100% of efficiency.
Finally, new multihierarchical electrodes were developed, based on zinc oxide
nanorods (ZnONR) films decorated with titanate nanotubes, using glycine as a bridge to
promote the increasing of the interaction between the structures. These electrodes were
applied as photoanodes for photoelectrochemical water splitting, producing O2 e H2. The
results show that the heterojunction of the two metal oxides leads to an increasing of the
photoelectrochemical efficiency. Thus, the multi-hierarchical electrodes are capable of
producing O2 evolution currents of 0.90 mA cm-2 (at 1.23 V vs ERHE), whereas the pure
ZnONR electrodes produce 0.45 mA cm-2. The O2 evolution potential also decreases from 0.8
V (vs ERHE) for TiNTs electrodes to 0V for the multi-hierarchical electrodes.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:BDTD:102553 |
| Date | January 2016 |
| Creators | Souza , Juliana dos Santos de |
| Contributors | Alves, Wendel Andrade, Carvalho, Wagner Alves, Bizeto, Marcos Augusto, Ferreira, Ana Maria da Costa |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf, 173 f. : il. |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFABC, instname:Universidade Federal do ABC, instacron:UFABC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=102553&midiaext=72748, http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=102553&midiaext=72747, Cover: http://biblioteca.ufabc.edu.brphp/capa.php?obra=102553 |
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