Caracterização e dopagem de perovskita de origem natural e aplicação em fotocatálise

Abstract

Este trabalho tem como objetivo utilizar a perovskita CaTiO3, de ocorrência natural (mineral), para a produção de hidrogênio por fotólise da água, realizando processos de dopagem para melhorar sua eficiência fotocatalítica. A perovskita foi caracterizada por Fluorescência de raios X (FRX), Espectroscopia de raios X por energia dispersiva (EDS), Emissão de raios X induzida por partículas (PIXE), Difração de Raios X (DRX), Espectroscopia Raman (ER), Espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS), Espectroscopia na região Infravermelho (IR) e na região do UV-Visível (UV-vis). As análises por DRX mostram a presença da perovskita CaTiO3 do sistema cristalino ortorrômbico, além de outros minerais como flogopita (KMg3(AlSi3O10)(OH)2), calcita (CaCO3), anatásio (TiO2) e apatita (Ca5(PO4)3). A análise da composição química da amostra de origem natural revelou a presença de elementos como Fe, Ce, Sr, Nb, Nd, La, Er e Y, indicando a existência de dopantes naturais intrínsecos ao material. Devido à grande variedade de elementos (impurezas) presentes na perovskita natural, e que podem afetar a fotocatálise, para fins de comparação, foram sintetizados cristais de perovskita (CaTiO3). Tanto CaTiO3 de origem natural quanto CaTiO3 sintetizado foram submetidos a processos de dopagem por vacância de oxigênio e substituição por nitrogênio, com o objetivo de melhorar as propriedades fotocatalítica das amostras. As amostras foram utilizadas na produção de hidrogênio por meio da fotólise da água. Os resultados mostram que na amostra de origem natural, a dopagem com vacâncias de oxigênio resultou em maior produção de hidrogênio que a dopagem por nitrogênio. Já para CaTiO3 sintetizado, a dopagem com vacâncias de oxigênio demonstrou ser ineficiente, e a dopagem com nitrogênio, embora tenha produzido hidrogênio, foi inferior a todos os resultados comparados com a amostra natural.

This work aims to use the natural occurrence (mineral) of CaTiO3 perovskite for hydrogen production through water photolysis, employing doping processes to enhance its photocatalytic efficiency. The perovskite was characterized using X-ray Fluorescence, Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, Particle-Induced X-ray Emission, X-ray Diffraction (XRD), Raman Spectroscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Infrared Spectroscopy, and UV-Visible Spectroscopy. XRD analyses revealed the presence of CaTiO3 perovskite in the orthorhombic crystal system, along with other minerals such as phlogopite (KMg3(AlSi3O10)(OH)2), calcite (CaCO3), anatase (TiO2), and apatite (Ca5(PO4)3). XPS analyses indicated oxygen deficiency in the perovskite structure, suggesting that the mineral formation occurred in an oxygen-poor environment. Due to the significant variety of elements (impurities) in natural perovskite that may impact photocatalysis, crystal synthesis of perovskite (CaTiO3) was performed for comparison. Both naturally occurring CaTiO3 and synthesized CaTiO3 were subjected to oxygen vacancy doping and nitrogen substitution processes, aiming to enhance the photocatalytic properties of the samples. These samples were employed in the production of hydrogen through photolysis of water. The results indicate that in the naturally occurring CaTiO3, doping with oxygen vacancies led to higher hydrogen production compared to nitrogen doping. However, for the synthesized CaTiO3, doping with oxygen vacancies proved to be inefficient, and while nitrogen doping produced hydrogen, it yielded inferior results compared to the natural occurring CaTiO3.