Síntese, caracterização e aplicações ambientais do niobato de bismuto e ferro (Bi2FexNbO7)

Abstract

Atualmente, a matriz energética global é composta majoritariamente por combustíveis fósseis (81%). A queima destes combustíveis causa a emissão de CO2 na atmosfera. A elevação dos níveis deste gás é uma das principais causas das mudanças climáticas e seus diversos impactos ambientais relacionados. Portanto, se torna um fator primordial o desenvolvimento de fontes limpas de energia. A economia do hidrogênio se mostra muito atrativa neste sentido, contudo, quando o mesmo é gerado a partir da reforma de metano se gera também gás carbônico. Em virtude disto, esta pesquisa tem como propósito desenvolver e caracterizar semicondutores fotocatalisadores baseados em niobato de bismuto e ferro (BFNO) para produção de hidrogênio via fotoeletrólise da água. Os filmes de Bi2FexNbO7 foram sintetizados pelo método sol-gel e depositados sobre placas de vidro revestidas com FTO pela técnica de dip coating. A influência do tratamento térmico foi estudada em três temperaturas: 400, 500 e 600°C. Também foi analisada a influência da quantidade de ferro na estrutura do niobato (Bi2FexNbO7; x = 0; 0,8; 1; 1,2) e suas propriedades. Foram avaliadas as propriedades ópticas, estruturais, morfológicas e a eficiência dos fotoânodos em ensaios de fotocorrente. Ademais, foram sintetizadas partículas na composição Bi2FeNbO7, as quais foram aplicadas em ensaios de fotocatálise. Os resultados indicam que o incremento da temperatura, bem como da quantidade de ferro, levam a uma maior capacidade de absorção da luz e menores valores de band gap. Quanto às propriedades estruturais, foi possível observar a formação da fase do BFNO nas amostras tratadas em 500 e 600°C. Os filmes tratados em 400°C apresentaram uma textura heterogênea e em 600°C há presença de trincas. Os filmes contendo mais ferro e tratados a 400°C apresentaram melhores respostas nos ensaios de fotocorrente. Quanto às partículas, se observou que a cristalinidade aumenta com a temperatura, sendo obtida a fase pura do BFNO a 900°C. A aplicação destas partículas como fotocatalisadores apresentou resultados promissores na degradação do azul de metileno. Pode-se concluir que o niobato de bismuto e ferro apresenta um grande potencial para aplicações ambientais, tanto para produção de hidrogênio por fotoeletrólise quanto para degradação de contaminantes.

Currently, the global energy matrix is mainly composed of fossil fuels (81%). The burning of these fuels causes large-scale emission of carbon dioxide into the atmosphere. Rising levels of this gas is one of the main causes of climate changes and its various related environmental impacts. Therefore, we have as a prime the development of clean sources of energy. The hydrogen economy is very attractive in this regard, however, when generated from the methane reform; there are also large-scale CO2 emissions. Thus, this research aims to develop and characterize bismuth and iron niobate-based photocatalyst semiconductors for hydrogen production via water photoelectrolysis. Bi2FexNbO7 films were synthesized by the sol-gel method and deposited on FTO coated glass plates by the dip coating technique. The influence of heat treatment was evaluated at three temperatures: 400, 500 and 600°C. The influence of the amount of iron on the structure (Bi2FexNbO7 - x = 0, 0.8, 1, 1.2) was also analyzed. Optical, structural, morphological properties and photoanode efficiency in photocurrent assays were evaluated. In addition, particles were synthesized in the composition Bi2FeNbO7, which were applied in photocatalysis assays. The results indicate that the increase of temperature, as well as the amount of iron leads to a higher absorption capacity and thus lower band gap values. Regarding the structural properties, it was possible to observe the BFNO phase in the samples treated at 500 and 600°C. The films heat-treated at 400°C had a heterogeneous texture and a good covering. At 600°C there were some cracks in films surface. Thus, samples with more iron and treated at 400°C showed better responses in photocurrent assays. As for the particles, it was observed that the crystallinity increases with the temperature, and the purest phase was found at 900°C. The application in photocatalysis showed satisfactory results in the degradation of methylene blue. It can be concluded that bismuth-iron niobate has great potential for environmental applications, both for photoelectrolysis hydrogen production and for pollutants degradation.