Síntese de nanopartículas de dióxido de titânio dopadas com cobalto para produção de hidrogênio através da fotólise da água

Abstract

Este trabalho descreve a síntese de nanopartículas de dióxido de titânio (TiO2) dopadas com cobalto (Co) e sua aplicação para a produção de hidrogênio (H2) através fotólise da água. Através do método sol-gel foram sintetizadas nanopartículas de dióxido de titânio puras e nanopartículas de dióxido de titânio/cobalto utilizando diferentes concentrações de precursor de cobalto durante a síntese (0,0035%; 0,035%; 0,35% e 0,95% (m/m) de Co/Ti). As amostras foram tratadas termicamente nas temperaturas de 300 °C, 400 °C e 500 °C em ar atmosférico e caracterizadas quanto as suas propriedades ópticas e estruturais. A atividade fotocatalítica foi testada para produção de hidrogênio em uma solução água/etanol (80:20 v/v). Espectros na região do UV-Vis mostram que a dopagem por cobalto ocorreu eficientemente, caracterizado por uma larga banda de absorção na região entre 400 e 700 nm, característico da absorção do cobalto. Adicionalmente é observando um aumento da intensidade desta banda com o aumento da concentração de precursor de cobalto. Os padrões de difração mostram nanopartículas na fase anatásio, uma das 3 fases cristalinas do dióxido de titânio, contudo sem a presença de picos característicos de cobalto, uma vez que o dopante está em baixa concentração e está distribuído de maneira homogênea e bem dispersa na matriz de dióxido de titânio. Adicionalmente, nas concentrações de cobalto estudadas neste trabalho seria muito difícil se observar a presença do cobalto por difração de raio-X (DRX), devido à baixa concentração de dopante utilizada. O tamanho de cristalito foi determinado pela equação de Scherrer e foram obtidos diâmetros entre 13,1 e 16,1 nm. Quando aplicado para produção de hidrogênio, foi observado que a atividade fotocatalítica das nanopartículas aumenta significativamente com o aumento da concentração de cobalto. A amostra de dióxido de titânio pura apresentou uma produção de 170 mol.g-1h-1 de hidrogênio, enquanto que as nanopartículas com 0,95% (m/m) Co/Ti apresentaram 314 mol. .g-1h-1 de hidrogênio, representando um aumento de 84% na produção de hidrogênio.

The present work describes the synthesis of cobalt-doped dioxide titanium nanoparticles and the application to produce hydrogen by photolysis of water. Dioxide titanium nanoparticles and cobalt-doped dioxide titanium nanoparticles were synthesised by sol-gel method using different concentrations of cobalt precursor (0,0035%; 0,035%; 0,35% and 0,95% (w/w) Co/Ti). The samples were thermally treated at 300°C, 400°C and 500°C in atmospheric air and characterized by optical and structural measurements. The photocatalytic activity was probed for hydrogen production in water/ethanol (80:20 v/v). Absorption spectra within the visible range shows absorption modes characteristic of doped dioxide titanium ranging from 400 to 700nm. In addition, this absorption mode is found depended on the concentration of cobalt precursor used during the synthesis. The diffraction patterns show nanoparticles in the Anatase phase, one of the three crystalline phases of titanium dioxide, however one cannot observe the presence of diffraction peaks characteristic of cobalt, suggesting that the dopant is homogeneously distributed and well dispersed in the dioxide titanium matrix. Additionally, in the cobalt concentrations studied in this work it would be very difficult to observe the presence of cobalt by X-Ray Diffraction because of the low concentration of dopant. The crystallite size was determined by the Scherrer equation and diameters were obtained between 13.1 and 16.1 nm. When applied for hydrogen production, it was observed that the photocatalytic activity of the nanoparticles significantly increases along with the increase of the cobalt concentration. The sample of pure dioxide titanium presented a production of 170 μmol.g-1h-1 of hydrogen, while the nanoparticles doped with 0,95% (w/w) Co/Ti presented 314 μmol.g-1h-1 of hydrogen, and it represents an improvement of 84% in hydrogen production.