Síntese por coprecipitação de niobato de lítio (LiNbO3) puro e dopado com ferro (Fe/LiNbO3), sua caracterização microestrutural e avaliação como catalisador para produção fotocatalítica de gás hidrogênio (H2)

Abstract

Este trabalho investigou os efeitos dos parâmetros da síntese do LiNbO3 e Fe/LiNbO3 por meio do método de coprecipitação assistido por um tratamento térmico convencional. As propriedades ópticas, elétricas e fotocatalíticas foram determinadas. As matérias-primas utilizadas foram pentóxido de nióbio (Nb2O5), hidróxido de lítio (LiOH), nitrato de ferro (Fe(NO3)3) água Milli-Q e álcool etílico. Para a síntese do LiNbO3 foram estudadas as razões molares não estequiométricas (Nb2O5:LiOH - 1:8, 1:12 e 1:16) em diferentes tempos de tratamento térmico (3, 4 e 5 h) na temperatura de 600 °C. Os produtos obtidos foram caracterizados por difração de raios X (DRX), espectroscopia Raman e reflectância difusa. O pó obtido na razão molar [1:12] e tempo de tratamento térmico 4 h foi escolhido para dopagem por apresentar maior picos mais intensos em Raman e Drx, além de um valor reduzido para reflectância difusa. O pó foi dopado em 1, 2 e 5% em massa de Fe. Os difratogramas de raios X, os espectros Raman e a análise por XPS sugerem a obtenção do Fe dopado na rede de LiNbO3. As amostras de niobato de lítio dopado com ferro obtiveram morfologia irregular. A faixa de band gap encontrada entre as amostras produzidas neste trabalho variou 22% da mais alta, 4,37 eV (LiNbO3 [1:12] 5 h), para a mais baixa, 3,39 eV (5% Fe-LiNbO3). A microestrutura do LiNbO3 é modificada pela presença do Fe e aprimoram os resultados para fotocorrente. O potencial fotocatalítico foi avaliado na fotocatálise do hidrogênio (H2) e a amostra dopada em 1% em massa de ferro foi a que apresentou melhor desempenho na evolução do hidrogênio. Os resultados deste trabalho demonstram que o Fe/LiNbO3 possui rendimento satisfatório para a aplicação em fotocatálise heterogênea de H2.

This research investigated the effects of the synthesis parameters of LiNbO3 and Fe/LiNbO3 through the coprecipitation method assisted by conventional heat treatment. The optical, electrical and photocatalytic properties were determined. The raw materials used were niobium pentoxide (Nb2O5), lithium hydroxide (LiOH), iron nitrate (Fe(NO3)3), Milli-Q water and ethyl alcohol. For the synthesis of LiNbO3, the non-stoichiometric molar ratios (Nb2O5:LiOH - 1:8, 1:12 and 1:16) were studied at different heat treatment times (3, 4 and 5 hours) at a temperature of 600 °C. The products obtained were characterized by X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy and diffuse reflectance. The powder obtained in the molar ratio [1:12] synthesis time 4 hours was chosen for doping because it presents higher, more intense peaks in Raman and Drx, in addition to a reduced value for diffuse reflectance. The powder was doped in 1, 2 and 5% by weight of iron. The X-ray diffractograms, Raman spectra and XPS analysis suggest obtaining the Fe doped in the LiNbO3 network. The iron-doped lithium niobate samples obtained irregular morphology. The band gap range found between the samples produced in this work varied 22% from the highest, 4.37 eV (LiNbO3 [1:12] 5 hours), to the lowest, 3.39 eV (5% Fe-LiNbO3). The microstructure of LiNbO3 is modified by the presence of Fe and improves the results for photocurrent. The photocatalytic potential was evaluated through hydrogen (H2) photocatalysis, and the sample doped in 1% by mass of iron was the one that showed the best performance in the evolution of hydrogen. The results of this work show that Fe/LiNbO3 has satisfactory performance for application in heterogeneous H2 photocatalysis.