Síntese de perovskitas de SrTaO2N para produção fotocatalítica de H2

Abstract

A crescente demanda por energia gera grande preocupação para o futuro, ficando clara a necessidade de desenvolvimento de meios de geração e estocagem de energia que sejam limpas e renováveis. Dentre as rotas mais promissoras, destacam-se as que envolvem energia solar, e em especial a sua utilização para promover processos fotocatalíticos para produção de H2 através da molécula de água. Nos últimos anos, materiais do tipo perovskita têm apresentado resultados promissores quando aplicados como fotocatalisadores. Dentro deste contexto, no presente trabalho foi realizado o estudo do material tipo perovskita SrTaO2N, explorando diferentes rotas de síntese e suas consequências nas propriedades do material, objetivando aplicação para produção de H2 através da água. As sínteses foram realizadas por rota hidrotermal utilizando como precursores de tântalo os compostos Ta2O5 e Ta3N5 na forma de nanotubos e TaCl5. Os produtos de síntese foram submetidos a tratamentos térmicos em atmosfera controlada. As amostras foram caracterizadas por DRX, Espectroscopia na região do UV-Vis, MEV e XPS. Foram conduzidos testes de geração de H2 utilizando lâmpada de Xe. Após sínteses utilizando tanto dos precursores Ta2O5 e Ta3N5 quanto de TaCl5 foi obtido um hidrato com estequiometria Sr0,25H1,5Ta2O6.H2O. Após tratamento térmico a 850 °C por 10h em atmosfera de NH3, foi obtida a fase SrTaO2N das rotas com Ta2O5 e Ta3N5. Ao utilizar a rota com TaCl5, tanto SrCO3 como Sr(OH)2 na presença de PVP, a fase SrTaO2N foi obtida somente após tratamento térmico por 6h a 850 °C em NH3. Contudo ao se utilizar ácido cítrico ao invés de PVP na rota com TaCl5, a fase SrTaO2N foi obtida somente quando se utilizou SrCO3 como fonte de estrôncio. Testes de produção de H2 realizados com as amostras partindo de ambos Ta2O5 e Ta3N5 apresentaram resultados significativos, sendo as amostras obtidas após tratamento térmico por 6h menos eficientes em relação às obtidas após tratamento por 10h, com maior conversão da fase SrTaO2N.

The growing demand for energy creates great concern for the future, making clear the need to develop clean and renewable routes for generating and storing energy. Among the most promising routes, we highlight those involving solar energy, and its use to promote photocatalytic processes to produce H2 from water. In recent years, perovskite-type materials have shown promising results when applied as photocatalysts, as in several other areas. Within this context, in the present work, the study of the perovskite-type SrTaO2N was carried out, exploring different routes of synthesis and its consequences on the properties of the material obtained, aiming its application for the production of H2 through water splitting. The syntheses were carried out by the hydrothermal route starting from the compounds Ta2O5 and Ta3N5 in the form of nanotubes as well as the precursor TaCl5. The synthesis products were subjected to thermal treatments in a controlled atmosphere. The samples were characterized by XRD, Spectroscopy in the region of UV-Vis, SEM, and XPS. H2 generation tests were conducted using a Xe lamp. After syntheses starting from both Ta2O5 and Ta3N5 as well as TaCl5, a hydrate with stoichiometry Sr0.25H1.5Ta2O6.H2O was obtained. After thermal treatment at 850 ° C for 10h in an NH3 atmosphere, the SrTaO2N phase was obtained starting from both Ta2O5 and Ta3N5. The reaction time required to obtain the SrTaO2N phase starting from Ta2O5 was shorter (6 hours) using the precursor Sr(OH)2 than using SrCO3 (10 hours). For synthesis starting from the precursor TaCl5, using both SrCO3 and Sr(OH)2 in the presence of PVP, after thermal treatment for 6h at 850 ° C in NH3, the SrTaO2N phase is obtained. However, when using citric acid instead of PVP, hydrothermal synthesis with TaCl5 followed by thermal treatment under the same conditions in NH3 results only in the perovskite phase of interest using SrCO3 as a source of strontium. H2 production tests performed with samples using both Ta2O5 and Ta3N5 as precursors showed significant results, with samples obtained after heat treatment for 6 hours less efficient than those obtained after treatment for 10 hours, according to the greater conversion of the SrTaO2N phase.