Sensibilização de estruturas nanotubulares de pentóxido de tântalo com nanopartículas bimetálicas formadas de prata e ouro para produção de hidrogênio

Abstract

Na busca por fontes de energias renováveis, o hidrogênio (H₂) vem sendo considerado o combustível do futuro. Neste sentido, fotocatalisadores nanométricos são interessantes, pois possuem alta área superficial específica o que favorece as reações catalíticas. Deste modo, este trabalho teve como objetivo o processo de síntese e caracterização de matrizes nanotubulares de pentóxido de tântalo (NT(s)Ta₂O₅) para utilização em fotocatálise com ênfase na produção de H₂ a partir da quebra da molécula de água utilizando energia solar. Como inovação, destaca-se o crescimento de nanopartículas bimetálicas de prata e ouro (BNP_AgAu) que foram depositadas na superfície dos nanotubos de Ta₂O₅ visando aumentar a absorção de radiação na região visível do espectro solar desses nanocompósitos, visto que os NT(s)Ta₂O₅ absorvem radiação apenas na região ultravioleta. As estruturas nanotubulares foram formadas pelo processo de anodização a partir de chapas de tântalo metálico. As BNP_AgAu foram sintetizadas pelo método de redução química, In Situ, tendo como precursores soluções de AgNO₃ e HAuCl₄. Esta rota sintética foi utilizada para a síntese das nanopartículas em solução coloidal bem como para depositá-las sobre a superfície dos NT(s)Ta₂O₅. As BNP_AgAu não foram funcionalizadas. Três condições de BNP_AgAu com diferentes concentrações de ouro foram preparadas. A fim de comparar os resultados obtidos foram realizadas sínteses de nanopartículas monometálicas de prata (NP_Ag) e de ouro (NP_Au) em solução coloidal e também depositadas sobre os NT(s)Ta₂O₅ As amostras foram caracterizadas morfológica e estruturalmente mediante as técnicas de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV); Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET); Espectroscopia por Energia Espalhada de Raios X (EDS); Espectroscopia UltravioletaVisível (UV-VIS); Espectroscopia por Reflectância difusa (DRS) e Difração de Raios X (DRX). A quantificação da produção de H₂ foi avaliada pela cromatografia gasosa (GC). Foram realizadas reações de fotogeração de H₂ utilizando os materiais sintetizados como fotocatalisadores durante 8 horas de reação. Os resultados mostram que foram obtidas estruturas de nanopartículas bimetálicas de AgAu do tipo core-shell, que a concentração de Au influência na estrutura dessas nanopartículas e consequentemente na produção de H₂. Verifica-se uma melhora na absorção dos NT(s)Ta₂O₅ decorados com BNP_AgAu, visto que foram obtidas bandas de absorção também na região visível e um deslocamento do λmáx de 452 nm a 490 nm para as amostras contendo as BNP_AgAu, dependente da espessura do shell formado em consequência da variação da concentração de Au. A amostras de NT(s)Ta₂O₅ decorados com as BNP_AgAu tendo esta amostra 0,22 mL de Au foi a de resultado mais significativos dentre as amostras de NT(s)Ta₂O₅ com as bimetálicas tendo sido obtido 1.583,7 μmol/g do gás, que corresponde a um aumento na eficiência de 142% em relação a matriz nanotubular não decorada. Entretanto, o melhor desempenho fotocatalítico foi apresentado pelas amostras de NT_Au tendo um aumento de 377% a mais que o NT(s)Ta₂O₅ não decorados, que corresponde a 3.126,7 μmol/g de H₂ gerado. Desta forma, os nanocompósitos tendo como base nanopartículas bimetálicas de Ag e Au depositadas sobre a superfície dos NT(s)Ta₂O₅ são eficientes para a fotogeração de H₂ por meio da reação de quebra das moléculas da água.