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https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/4085
Tipo: | Tese |
Título: | PREPARAÇÃO E INDUÇÃO DE DEFEITOS EM NANOPARTÍCULAS DE TiO2: APLICAÇÃO EM CÉLULAS A COMBUSTÍVEL FOTOCATALÍTICAS E FOTOELETRÓLISE DA ÁGUA. |
Autor(es): | Luiz Felipe Placa Vargas |
Primeiro orientador: | Heberton Wender Luiz dos Santos |
Resumo: | Os altos índices de emissão global de CO2 tem preocupado as autoridades ambientais mundiais, pois o aquecimento global causado pelo efeito estufa pode gerar grandes impactos ambientais, econômicos e sociais. Para diminuir a dependência energética dos combustíveis fósseis a utilização da energia solar tem se mostrado uma estratégia viável. Duas opções interessantes que merecem destaque é a conversão da energia solar em energia química – na forma de H2 por meio da fotoeletrólise da água – em uma célula fotoeletroquímica (PEC), e a conversão da energia solar em energia elétrica utilizando uma fotocélula a combustível (PFC). Ambos os processos utilizam semicondutores para a absorção de luz solar e, nesse aspecto, muita pesquisa fundamental ainda é necessária para viabilizar essas tecnologias para uso na prática, otimizando a eficiência e diminuindo os custos envolvidos na produção dos materiais. Neste trabalho apresentamos o estudo e a otimização da redução parcial do TiO2 para utilização em células fotoeletroquímicas e fotocélulas a combustível visando a conversão de energia solar. Nanopartículas de TiO2 foram preparadas pela hidrólise do Isopropóxido de Titânio e defeitos foram introduzidos na estrutura do material através de uma redução termoquímica com diferentes quantidades de NaBH4. Como resultado, obteve-se nanopartículas quase esféricas de TiO2 de fase cristalina Anatase pura. O processo de redução não alterou a morfologia nem a estrutura cristalina do semicondutor, mas induziu mudanças drásticas em suas propriedades ópticas, eletrônicas e fotoeletroquímicas. O bandgap do TiO2 branco foi de 3,2 eV enquanto as amostras reduzidas apresentaram uma ligeira diminuição do bandgap além de um aumento da absorção de luz visível. As amostras reduzidas com 5% de NaBH4 alcançaram melhores resultados de PEC e de PFC pois, ao reduzir o TiO2, defeitos do tipo vacâncias de oxigênio e Ti3+ foram induzidos em concentrações ideias no material. Esses defeitos formam estados de energia dentro da banda proibida do semicondutor, o que explica o aumento da absorção de luz visível, porém, excesso de defeitos acabam se tornando sítios de aprisionamento de elétrons/buracos e, por isso, as amostras preparadas com 5% m/m de NaBH4, dentre aquelas estudadas, apresentaram melhores desempenhos fotocatalíticos. |
Abstract: | The high levels of global CO2 emissions have been of concern to the global environmental authorities, since the global warming caused by the greenhouse effect can generate major environmental, economic and social impacts. To reduce the energy dependence on fossil fuels, the use of solar energy has proved to be a viable strategy. Two interesting options that deserve to be highlighted are the conversion of solar energy into chemical energy – in the form of H2 through water photoelectrolysis – in a photoelectrochemical cell (PEC), and the conversion of solar energy into electrical energy using a photo fuel cell (PFC). Both processes use semiconductors to absorb sunlight and, in this respect, much fundamental research is still needed to make these technologies feasible for practical use, optimizing efficiency and reducing the costs involved in the production of materials. In this work we present the study and optimization of TiO2 reduction for use in photoelectrochemical cells and photo fuel cells aiming the conversion of solar energy. TiO2 nanoparticles were prepared by the hydrolysis of titanium isopropoxide and defects were introduced into the material structure through a thermochemical reduction with different amounts of NaBH4. As a result, nearly spherical TiO2 nanoparticles of pure anatase crystalline phase were obtained. The reduction process did not change the semiconductor's morphology or its crystalline structure, but did induce drastic changes in its optical, electronic and photoelectrochemical properties. The white TiO2 bandgap was 3.2 eV while the reduced samples showed a slight decrease in the bandgap in addition to an increase in visible-light absorption. The reduced samples with less NaBH4 achieved better PEC and PFC results because, by reducing TiO2, defects such as oxygen vacancies and Ti3+ were induced in the material. These defects form energy states inside the forbidden semiconductor band, which explains the increased absorption of visible light, however, the excess of defects end up as sites of electron/hole trapping and, therefore, samples prepared with 5% m/m of NaBH4, among those studied, showed better photocatalytic performances. |
Palavras-chave: | Semicondutores TiO2 reduzido fotoeletrocatálise fotocélula a combustível |
País: | Brasil |
Editor: | Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul |
Sigla da Instituição: | UFMS |
Tipo de acesso: | Acesso Restrito |
URI: | https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/4085 |
Data do documento: | 2021 |
Aparece nas coleções: | Programa de Pós-graduação em Química |
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