Design morfológico das nanoestruturas de dióxido de titânio para produção fotoeletroquímica de hidrogênio

Abstract

Na transição energética, o hidrogênio verde é uma solução crucial para lidar com as mudanças climáticas e a escassez de recursos. Nesse contexto, o dióxido de titânio (TiO2) se apresenta como um material fotoeletroativo viável para geração de H2. Tal fotocatalisador possui densidades de corrente por absorção (Jabs) e limite teórico para o fator de conversão solar-para-hidrogênio (%STH) de 1,25 mA cm-2 e 1,3% para fase anatase, e 1,86 mA cm-2 e 2,2%, para fase rutilo, respectivamente. Algumas são as estratégias para beneficiar os processos fotoeletroquímicos, como a seleção de fase cristalina, o controle morfológico e a redução de defeitos cristalinos. A dopagem com elementos de diferentes valências pode melhorar a mobilidade dos portadores de carga fotogerados, aperfeiçoando suas taxas de recombinação. Assim, neste trabalho, foram desenvolvidas estratégias para a produção de estruturas hierárquicas de TiO2 (nanofitas/esferulitas) de fase cristalina rutilo, objetivando o desenvolvimento de fotoânodos dedicados à evolução de oxigênio por meio da fotoeletrocatálise, com alta performance. Aplicando glicerol como um capturador de buracos, promovendo a foto(eletro)reforma, os fotoanodos preparados obtiveram densidades de fotocorrente de 1,54 mA cm-2

(a 1,23 V vs. RHE) com 0,81% de eficiência fotocorrente de polarização aplicada (ABPE) e geração fotoeletroquímica de hidrogênio de 2,2 mL H2 cm-2h -1 , sob 1 Sol (filtro AM 1,5G,

100 mW cm-2

), apresentando alta estabilidade. Resultados estes próximos ao limite teórico. Junto a isso, a dopagem do material com diferentes íons (K+ , Ni2+ e Co3+) mostrou que não houve alteração da fase cristalina do TiO2 e sugere a tendência da substituição de posições de Ti4+ por esses íons, levando a modificações morfológicas indicando a inserção de estados intragap na estrutura de bandas do TiO2.