Síntese e caracterização estrutural e fotocatalítica de heteroestruturas BiVO4/Bi2S3

Abstract

Óxidos metálicos baseados em bismuto tem ganhado atenção para aplicação em fotocatálise devido suas características eletrônicas e óticas. Particularmente o vanadato de bismuto (BiVO4) tem mostrado resultados promissores devido seu intervalo de banda, estabilidade química e baixa toxicidade. Porém, devido a recombinação de cargas e por não apresentar geração de hidrogênio devido ao alinhamento da banda de condução em relação ao potencial de redução da água, tem-se realizados pesquisas com o objetivo de melhorar isso, sendo a fabricação de heteroestruturas uma estratégia. Heteroestruturas com sulfeto de bismuto (Bi2S3) tem boas propriedades para esse objetivo devido à absorção na região do visível, intervalo de banda e por ter fotoatividade na produção de hidrogênio devido seu posicionamento de banda. Nesse trabalho, caracterizou-se o BiVO4 sintetizado por rota hidrotérmica com técnicas de difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, análise por adsorção de nitrogênio por B.E.T., absorção no UVVis e avaliou-se a eficiência fotocatalítica na reação de fotólise da água com cromatografia gasosa. Também foi sintetizado Bi2S3 e caracterizado por difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura e absorção no UV-Vis. Em seguida, uma heteroestrutura de BiVO4/Bi2S3 foi sintetizada por rota hidrotérmica e caracterizada da mesma maneira e comparada. Foi obtido BiVO4 puro na fase monoclínica com intervalo de banda de 2,44 eV, enquanto que o Bi2S3 foi obtido na fase ortorrômbica, sendo que a heteroestrutura apresentou intervalo de banda de 1,25 eV. A análise morfológica em MEV mostra um material com diferentes morfologias (agregados de bastões alongados e grãos irregulares para o BiVO4, e agulhas concêntricas com o Bi2S3) e diminuição de tamanho de micropartícula, de 6,141 μm para 4,982 μm de comprimento. Com XPS foi possível confirmar os estados de oxidação dos elementos, a presença de Bi, V, O e S nos materiais e inferir que o sulfeto de bismuto recobre o vanadato de bismuto na heteroestrutura. A fotocatálise foi avaliada em termos de produção de H2 e O2 em diferentes agentes de sacrifício. Verificou-se que a heteroestrutura apresenta produção de H2 em Na2S.

In materials science, research in nanomaterials investigates synthesis processes, characterization and physicochemical properties for different applications. Bismuthbased metal oxides have gained attention for application in photocatalysis due to their electronic characteristics. Bismuth vanadate (BiVO4) in particular has shown promising results due to its band gap, chemical stability and low toxicity. However, due to charge recombination and lack of hydrogen generation due to the alignment of the conduction band in relation to the water reduction potential, research has been carried out with the aim of improving this, with the fabrication of heterostructures being one strategy. Heterostructures with bismuth sulfide (Bi2S3) have good properties for this purpose due to absorption in the visible region, band gap and because they have photoactivity in hydrogen production. In this work, BiVO4 synthesized by hydrothermal route was characterized with X-ray diffraction, B.E.T. analysis, scanning electron microscopy (SEM), UV-Vis absorption techniques and the photocatalytic efficiency in the water photolysis reaction was evaluated with gas chromatography. It was also synthesized Bi2S3 and characterized using X-ray diffraction, SEM and UV-Vis absorption techniques. Then, a BiVO4/Bi2S3 heterostructure was synthesized by hydrothermal route and characterized in the same manner and compared. Pristine BiVO4 was obtained in the monoclinic phase with a band gap of 2.44 eV, while Bi2S3 was obtained in the orthorhombic phase, with the heterostructure presenting a band gap of 1.25 eV. The morphological analysis in SEM shows a material with different morphologies (aggregates of elongated rods and irregular grains for BiVO4, and concentric needles with Bi2S3) and a decrease in microparticle size, from 6.141 μm to 4.982 μm in length. By XPS it was possible to confirm the oxidation states of the elements, the presence of Bi, V, O and S in the materials and infer that bismuth sulfide covers bismuth vanadate in the heterostructure. The photocatalysis was evaluated in terms of H2 and O2 production in different sacrificial agents. It was found that the heterostructure presents H2 production in Na2S.