Síntese por anodização eletroquímica de nanotubos de dióxido de titânio dopados com alumínio e sua caracterização para produção de hidrogênio via water splitting

Abstract

O dióxido de titânio (TiO2) é um material de interesse para aplicação em processos de water splitting para geração de combustível verde. Todavia, seu amplo band gap limita a eficiência da conversão de luz solar. Para contornar tal questão, estudam-se técnicas para modificação das propriedades do material puro, como a síntese de nanotubos e a dopagem dessas estruturas. O presente trabalho combina ambas as abordagens e produz pela primeira vez nanotubos de TiO2 dopados com alumínio (AlTiO2) via anodização eletroquímica em etapa única sob as tensões de 40 e 60 V. Os resultados da difração de raios X (DRX) e espectroscopia Raman confirmam que a presença do material dopante não afeta a obtenção da fase anatase por tratamento térmico. A análise da morfologia por microscopia eletrônica de varredura (MEV) revela a formação de arranjos nanotubulares de Al-TiO2 com comprimento e diâmetro reduzidos. O efeito é associado à afinidade do Al com as moléculas de água presentes no eletrólito, que servem como fonte de oxigênio para o crescimento do óxido. O processo de dopagem é confirmado por reflectância difusa, pela qual se observa aumento na absorção da luz visível e redução do band gap para ambas as tensões de anodização. Testando-se o desempenho fotoeletroquímico, a amostra de Al-TiO2 fabricada a 60 V desenvolveu densidade de corrente 120% maior do que a mensurada em nanotubos não-dopados fabricados em condições semelhantes. De maneira geral, a síntese de nanoestruturas de Al-TiO2 mostra-se uma promissora alternativa na concepção de fotoeletrodos para evolução de H2 a partir de eletrólise da água.

Titanium dioxide (TiO2) is a coveted material for application in green processes for fuel generation, such as water splitting. However, its wide band gap energy limits its lightharvesting efficiency. Strategies such as the fabrication of nanotubular morphologies and the doping process of said structures are widely used to address this issue. By combining both approaches, this work successfully synthesizes aluminium-doped TiO2 nanotubes (Al-TiO2) for the first time via a single-step anodization method at two different potentials, namely 40 and 60 V. X-ray diffractograms and Raman spectra suggest that the addition of aluminium does not influence the obtaining of crystalline phase anatase. SEM images revealed the formation of nanotubes with reduced diameters and total length. The observed effect might be associated with the complexation of water in the electrolyte by the doping element, as the former serves as the primary oxygen source for oxide growth. Diffuse reflectance confirmed the doping process for both voltage conditions through a marked effect on the absorbance of visible light and the reduction in the optical band gap. Regarding the photoelectrochemical performance, the current density developed by the 60 V Al-TiO2 sample was increased by 120% in comparison to the undoped material. Overall, synthesizing aluminium-doped TiO2 nanotubes is a favorable strategy in designing photoelectrodes for H2 evolution.