Produção de hidrogênio via fotocatálise na presença de reagentes de sacrifício alcóolicos e dióxido de titânio

Abstract

A aplicação da fotocatálise heterogênea para produção de H2 renovável é uma alternativa viável, uma vez que requer menor uso de energia e dispõe de uma ampla disponibilidade de fotocatalisadores, ao contrário da eletrólise tradicional, cujo processo enfrenta desafios decorrentes do elevado consumo energético e custos operacionais. Na produção fotocatalítica de H2, utiliza-se semicondutores que, sob irradiação, formam radicais que reagem com a molécula de água através de reações de oxirredução. Entretanto, pela rápida recombinação das cargas fotoexcitadas, há a necessidade do uso de compostos doadores de elétrons (reagentes de sacrifício) para sequestrar as lacunas presentes e aumentar a eficiência da produção de H2. Outro inconveniente é a disposição do fotocatalisador no meio reacional que, geralmente, encontra-se disperso em solução, necessitando-se de etapas adicionais para sua recuperação. Uma alternativa para esse problema é a imobilização desses semicondutores sobre um substrato. Nesse trabalho, investigou-se a produção fotocatalítica de hidrogênio, empregando TiO2 como catalisador e diferentes álcoois como reagentes de sacrifício. Com o catalisador disperso em solução, visando à otimização das condições operacionais, foi realizado um planejamento experimental 2³ DCCR, o qual identificou como ponto ótimo uma condição fora do intervalo central estudado (pH = 9,4; 1,84 g·L-1 de TiO2 e 18,4% de metanol). A avaliação comparativa entre diferentes álcoois como reagente de sacrifício demonstrou que o etilenoglicol obteve a maior quantidade de H2 produzido, atribuído à sua capacidade de favorecer termodinamicamente a reação (ΔGº menor) sem resultar em um meio reacional turvo, como foi o caso do glicerol. O estudo cinético apontou que o aumento da concentração de etilenoglicol ocasionou a diminuição na taxa de produção de H2, evidenciando que em elevadas concentrações de reagente de sacrifício, o processo não segue a cinética de Langmuir Hinshelwood, ajustando-se melhor ao modelo da Lei de Potência (R² = 0,93). Em uma segunda etapa, o fotocatalisador foi imobilizado em espumas de cobre e monolitos de FeCrAl, a fim da eliminação da etapa de recuperação do catalisador e melhor reusabilidade. Os fotocatalisadores estruturados foram caracterizados por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) antes e depois da reação fotocatalítica, o que confirmou a preservação da morfologia do TiO2, embora tenha sido observada aglomeração. Os ensaios fotocatalíticos com o fotocatalisador imobilizado mostraram maior eficiência para a espuma com menor densidade de poros, enquanto o monolito apresentou melhor aderência e maior reusabilidade. Diante dos resultados obtidos, a fotocatálise heterogênea apresentou-se como rota viável para a produção sustentável de hidrogênio, destacando a importância da otimização das variáveis operacionais e da escolha do suporte catalítico para imobilização do fotocatalisador.