Nanoarquiteturas de nanotubos de carbono e nanotubos de TiO2 dopados com cobalto : síntese, caracterização microestrutural e de propriedades fotoeletroquímicas para aplicação na produção de H2 por water splitting

Abstract

Nanoestruturas híbridas de dióxido de titânio (TiO2) e nanotubos de carbono (NTCs) têm sido foco de inúmeras pesquisas para aplicações em produção de hidrogênio por water splitting usando energia solar. Diversas combinações estruturais já foram reportadas, mas a maioria emprega nanopartículas de TiO2 recobrindo os NTCs. Nanomateriais 1D, como os nanotubos, normalmente possuem propriedades melhoradas quando comparados a nanopartículas, como por exemplo maior mobilidade de elétrons. Dessa forma, a utilização do TiO2 no formato de nanotubos mostra-se promissora. Este trabalho apresenta a síntese de nanoarquiteturas de nanotubos de TiO2 dopados com cobalto e NTCs. Os nanotubos de Co-TiO2 foram obtidos pela técnica de anodização. Foram aplicados potenciais de anodização de 40 e 60 V durante 1 h. Posteriormente, os nanotubos de Co-TiO2 foram empregados como substrato para a síntese de NTCs por Deposição Química por Vapor (CVD). A síntese CVD foi realizada na faixa de temperaturas de 650 a 850 °C. O precursor de carbono utilizado foi o hexano. As nanoestruturas sintetizadas foram caracterizadas por difração de raios X, espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura e transmissão. A densidade de fotocorrente gerada pelos nanotubos de Co-TiO2 e pelas nanoarquiteturas foi medida por voltametria linear. Os resultados mostraram que a transição de fase anatase-rutilo influencia na formação e qualidade dos NTCs. Os íons de cobalto foram liberados da estrutura do TiO2 durante a transição de fase e tornaram-se disponíveis para catalisar o crescimento dos NTCs. A amostra obtida a 750 °C apresentou um arranjo de nanotubos de Co- TiO2/NTC bem formado. Essa nanoarquitetura apresentou fotocorrente maior (4,3 mA/cm2) do que a amostra de nanotubos de Co-TiO2 (0,12 mA/cm2). Os resultados indicaram que as nanoarquiteturas de Co-TiO2/NTCs obtidas são candidatos promissores para a aplicação como materiais fotoativos.

Nanostructured TiO2/CNT (carbon nanotubes) hybrids have been lately the focus of extensive research for their application in hydrogen production by water splitting using solar light. A variety of structural combinations of TiO2 and CNT has been reported, but most of them employ TiO2 nanoparticles over the carbon nanotubes. One-dimensional nanomaterials, such as nanotubes, usually possess enhanced properties when compared to nanoparticles, like improved electron mobility. Thus, the use of TiO2 in the form of nanotubes is promising. This work presents a synthesis process of nanoarchitectures of cobalt-doped TiO2 nanotubos and CNTs. The Co-TiO2 nanotubes were obtained by anodization process. Anodic voltages of 40 e 60 V were applied for 1 h. Subsequently, the Co-TiO2 nanotubes were employed as substrate for CNT synthesis by Chemical Vapor Deposition (CVD). CVD was performed in a range of temperatures between 650 and 850 °C. Hexane was used as carbon precursor. The synthesized nanostructures were characterized via X-ray diffraction, Raman spectroscopy, scanning, and transmission electron microscopy. The generated photocurrent density of the Co-TiO2 nanotubes and nanoarchitectures was measured by linear voltammetry. The results showed that the anatase-rutile phase transition influences the formation and quality of the CNTs. Cobalt ions were released from the TiO2 structure during phase transition and became available to catalyze the growth of CNTs. The sample obtained at 750 °C exhibited a well-formed Co-TiO2/CNT array. This nanoarchitecture presented higher photocurrent (4.3 mA/cm2) than the Co-TiO2 nanotubes sample (0.12 mA/cm2). The results indicated that the Co-TiO2/CNT nanoarchitectures obtained are promising candidates for application as photoactive materials.