Síntese e caracterização de niobato de titânio puro e dopado com nanotubos de carbono ou grafeno e avaliação como catalisador para produção de gás hidrogênio via eletrólise da água do mar

Abstract

O aumento contínuo da demanda energética aliado às preocupações ambientais tem estimulado a busca por fontes alternativas e sustentáveis de energia. Nesse contexto, o hidrogênio destaca-se como um vetor energético estratégico, sobretudo quando produzido por meio da eletrólise da água do mar natural, configurando-se como uma solução promissora para a transição rumo a uma economia renovável e de descarbonização. Neste trabalho, foram sintetizados catalisadores de niobato de titânio puro (NTO) e dopados com materiais carbonáceos (nanotubos de carbono e grafeno) em diferentes concentrações (0,01%, 0,02% e 0,05%), com o objetivo de avaliar sua aplicação na eletrólise da água do mar. As amostras foram caracterizadas por DRX, TGA/DTG, MEV, Raman, análise de band gap e voltametria linear confirmando que a dopagem não altera a fase cristalina principal do NTO, mas promove melhorias na condutividade, estabilidade térmica e transporte de cargas. Os filmes foram testados em uma célula eletrolítica conhecida como voltâmetro de Hoffman com água do mar natural como eletrólito, sua eficiência na geração de hidrogênio foi avaliada por cromatografia gasosa. Nos testes eletroquímicos, os catalisadores dopados apresentaram desempenho superior ao NTO puro. Para o sistema NTO/nanotubos de carbono, verificou-se aumento progressivo da eficiência com a elevação da fração de nanotubos, atribuído à sua morfologia unidimensional, que favorece a condução elétrica e a exposição de sítios ativos. Já para os sistemas NTO/grafeno, o melhor desempenho ocorreu em baixas concentrações, evidenciando que pequenas quantidades desses dopantes melhoram a condutividade e reduzem a recombinação eletrônica, enquanto teores mais elevados podem causar bloqueio superficial. De forma geral, a dopagem controlada mostrou-se uma estratégia eficaz para otimizar simultaneamente condutividade, dispersão e acessibilidade superficial, resultando em maior produção de hidrogênio e boa estabilidade. Assim, os eletrocatalisadores desenvolvidos demonstraram grande potencial para aplicação em processos de eletrólise da água do mar voltados à geração sustentável de hidrogênio, produzindo hidrogênio com percentuais significativos do elemento, tornando-se uma alternativa promissora para a geração sustentável de combustível.

The continuous growth in global energy demand, combined with environmental concerns, has stimulated the search for alternative and sustainable energy sources. In this context, hydrogen emerges as a strategic energy vector, especially when produced through the electrolysis of natural seawater, representing a promising solution for the transition toward a renewable and decarbonized economy. In this work, pure titanium niobate (NTO) and NTO doped with carbon-based materials (carbon nanotubes and graphene) at different concentrations (0.01%, 0.02%, and 0.05%) were synthesized to evaluate their application in seawater electrolysis. The samples were characterized by XRD, TGA/DTG, SEM, Raman, band gap analysis, and linear voltammetry, confirming that doping does not alter the main crystalline phase of NTO but enhances conductivity, thermal stability, and charge transport. The films were tested in an electrolytic cell (Hoffman voltameter) using natural seawater as the electrolyte, and hydrogen generation efficiency was evaluated by gas chromatography. Electrochemical tests revealed that doped catalysts outperformed pure NTO. For the NTO/carbon nanotube system, a progressive increase in efficiency was observed with higher nanotube content, attributed to their one-dimensional morphology, which promotes electrical conduction and exposure of active sites. In contrast, for the NTO/graphene systems, the best performance occurred at low concentrations, indicating that small amounts of these two-dimensional dopants enhance conductivity and reduce electron–hole recombination, while higher contents may cause surface blocking. Overall, controlled doping proved to be an effective strategy to simultaneously optimize conductivity, dispersion, and surface accessibility, resulting in higher hydrogen production and good stability. Thus, the developed electrocatalysts demonstrated great potential for application in seawater electrolysis processes for sustainable hydrogen generation, producing significant amounts of hydrogen and standing out as a promising alternative for renewable fuel production.