Fotoconversão da água em hidrogénio através de nanoplacas porosas de g-C3N4 acopladas a nanopartículas de prata e usando poluentes modelo como doadores sacrificiais

Abstract

A crise energética e a poluição ambiental são questões preocupantes nos nossos dias. A utilização de energias renováveis pode ser uma estratégia para ultrapassar esta crise energética. A produção de hidrogénio através da divisão fotoeletroquímica da água é um método que tem emergido e tem ganho importância nos últimos anos. Neste projeto foi utilizado o nitreto de carbono grafítico (g-C3N4), um semicondutor polimérico sem metal, constituído por blocos de tri-s-azina num arranjo lamelar semelhante ao grafeno. Estas partículas foram dopadas com enxofre para melhorar a sua área de superfície e diminuir a energia de bandgap. Para além da dopagem com enxofre, realizou-se a deposição de nanopartículas de prata para melhorar a atividade fotocatalítica do g-C3N4. Esta deposição de nanopartículas foi efetuada através de dois métodos, pelo processo de Tollens e através da irradiação. A atividade fotocatalítica foi avaliada através de testes de irradiação numa montagem home-made. As soluções foram irradiadas com uma lâmpada de Xènon, com a utilização de diversos filtros óticos. Como armazenador de potencial redutor/eletrões usou-se o metilviologéneo, cuja forma reduzida tem a capacidade de reduzir a água em hidrogénio. Foi utilizado também o EDTA, como doador sacrificial, e o carbonato de sódio no estudo da atividade fotocatalítica, sendo realizado diversos ensaios com a variação das concentrações destes. Também foi utilizado, como substituto do EDTA e modelos poluentes, a acrilamida, o fenol e o ácido tereftálico, sendo que a eficiência é superior quando utilizado o EDTA. Por fim, foi realizado um estudo com platina para estudar o volume de hidrogénio que poderia ser desenvolvido na irradiação. Em resumo podemos observar que o g-C3N4 dopado com enxofre com deposição de prata é um fotocatalisador promissor para conversão de água em hidrogénio com a oxidação em simultâneo de poluentes.

The energy crisis and environmental pollution are issues of concern today. The use of renewable energies can be a strategy to overcome this energy crisis. The production of hydrogen through the photoelectrochemical division of water is a method that has emerged and gained importance in recent years. In this project, graphitic carbon nitride (g-C3N4) was used, a metal-free polymeric semiconductor, consisting of blocks of tri-s-azine in a lamellar arrangement similar to graphene. These particles were doped with sulfur to improve their surface area and decrease bandgap energy. In addition to doping with sulfur, deposition of silver nanoparticles was performed to improve the photocatalytic activity of g-C3N4. This deposition of nanoparticles was carried out through two methods, the Tollens process and through irradiation. The photocatalytic activity was evaluated through irradiation tests on a home-made assembly. The solutions were irradiated with a Xenon lamp, using various optical filters. As a reducing potential/electron store, methyl viologen was used, whose reduced form has the ability to reduce water to hydrogen. EDTA was also used, as a sacrificial donor, and sodium carbonate in the study of photocatalytic activity, with several tests being carried out with varying concentrations of these. Acrylamide, phenol and terephthalic acid were also used as a substitute for EDTA and pollutant models, and the efficiency is higher when EDTA is used.. Finally, a study with platinum was carried out to study the volume of hydrogen that could be developed in irradiation. In summary, we can see that silver-deposited sulfur-doped g-C3N4 is a promising photocatalyst for converting water to hydrogen with simultaneous oxidation of pollutants.