A carregar...
Publicação
Characterization of TiO2/Carbon mixtures for energy conversion: Application to the photoreduction of CO2.
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 4.47 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
The necessity to decrease the carbon emissions of the planet has been leading to the research and development of new technologies to transform undesirable CO2 into valuable chemical products. One interesting approach relies on the use of solar energy for the photocatalytic conversion of CO2 into solar fuels and other chemicals.
Semiconductors have been widely studied as photocatalysts for advanced oxidation processes, due to their unique electronic structure and the benchmark semiconductor used in environmental applications is TiO2. However, TiO2’s bandgap energy only allows 4% of the solar spectrum to be absorbed, limiting the photoactivity under solar light. The improvement of visible-light activity of TiO2 is a great challenge for semiconductor photocatalysis and one strategy is the use of carbon materials as additives to the semiconductor. Carbon materials, combined with TiO2, have been reported to boost the low photonic efficiency under sunlight of the semiconductor.
This master’s thesis explores the feasibility of using TiO2/Carbon materials for CO2 photocatalytic reduction using solar simulated light. For this, mixtures of TiO2 with a variety of carbon materials were studied through optical and electrochemical characterization using three different light sources (340 nm, 470 nm and simulated solar light) to choose the most suitable composite to perform the photocatalytic reduction of CO2.
The optical characterization of the materials showed an improved response to visible light for TiO2/carbon mixtures, proved by the decrease in reflectance values. The photoelectrochemical experiments also rendered higher photocurrents for the TiO2/carbon composites compared to the bare semiconductor. These improvements are attributed to the specific properties of the carbon, such as absorption of visible light, presence of photoactive functional groups, and withdrawal of photogenerated electrons. Afterwards, the CO2 photoreduction assays showed higher production of CO for the selected TiO2/carbon photocatalysts than for the bare semiconductor, confirming the beneficial effect of the carbon material’s addition.
A necessidade de reduzir as emissões de carbono do planeta tem conduzido à investigação e ao desenvolvimento de novas tecnologias para transformação do CO2 em produtos químicos de valor industrial. Uma abordagem interessante consiste na utilização de energia solar para conversão fotocatalítica do CO2 em combustíveis solares e outros compostos químicos. Os semicondutores têm sido amplamente estudados como fotocatalisadores em processos de oxidação avançados, devido à sua estrutura eletrónica única e o semicondutor de referência utilizado em aplicações ambientais é o TiO2. Porém, a energia de bandgap do TiO2 apenas permite absorver cerca de 4% do espetro solar, limitando a foto-atividade sob luz solar. Melhorar a atividade do TiO2 à luz visível é um grande desafio na fotocatálise com semicondutores e uma estratégia utiliza materiais de carbono como aditivos ao semicondutor. Os materiais de carbono combinados com o TiO2 têm sido referidos por aumentarem a eficiência fotónica sob ação da luz solar. A presente Tese de Mestrado explora a viabilidade do uso de materiais de TiO2/Carbono para a redução fotocatalítica do CO2 utilizando luz solar simulada. Misturas de TiO2 com diversos materiais de carbono foram estudadas através da sua caracterização ótica e eletroquímica, aplicando diferentes fontes luminosas (340 nm, 470 nm e luz solar simulada) para, assim, escolher o compósito mais adequado à redução fotocatalítica do CO2. A caracterização ótica dos materiais revelou um aumento da resposta à luz visível das misturas de TiO2/carbono, comprovado pela diminuição dos valores de refletância. Os ensaios fotoeletroquímicos apresentaram fotocorrentes superiores para os compósitos de TiO2/carbono do que para o TiO2 puro. Estas melhorias são atribuídas às propriedades específicas do carbono, tais como a absorção de luz-visível, a presença de grupos funcionais fotoativos, e ao efeito de captação dos eletrões fotogerados. Seguidamente, os ensaios da fotorredução do CO2, apresentaram maior produção de CO para os fotocatalisadores de TiO2/Carbono selecionados do que para o TiO2 puro, confirmando o efeito benéfico da adição do material de carbono.
A necessidade de reduzir as emissões de carbono do planeta tem conduzido à investigação e ao desenvolvimento de novas tecnologias para transformação do CO2 em produtos químicos de valor industrial. Uma abordagem interessante consiste na utilização de energia solar para conversão fotocatalítica do CO2 em combustíveis solares e outros compostos químicos. Os semicondutores têm sido amplamente estudados como fotocatalisadores em processos de oxidação avançados, devido à sua estrutura eletrónica única e o semicondutor de referência utilizado em aplicações ambientais é o TiO2. Porém, a energia de bandgap do TiO2 apenas permite absorver cerca de 4% do espetro solar, limitando a foto-atividade sob luz solar. Melhorar a atividade do TiO2 à luz visível é um grande desafio na fotocatálise com semicondutores e uma estratégia utiliza materiais de carbono como aditivos ao semicondutor. Os materiais de carbono combinados com o TiO2 têm sido referidos por aumentarem a eficiência fotónica sob ação da luz solar. A presente Tese de Mestrado explora a viabilidade do uso de materiais de TiO2/Carbono para a redução fotocatalítica do CO2 utilizando luz solar simulada. Misturas de TiO2 com diversos materiais de carbono foram estudadas através da sua caracterização ótica e eletroquímica, aplicando diferentes fontes luminosas (340 nm, 470 nm e luz solar simulada) para, assim, escolher o compósito mais adequado à redução fotocatalítica do CO2. A caracterização ótica dos materiais revelou um aumento da resposta à luz visível das misturas de TiO2/carbono, comprovado pela diminuição dos valores de refletância. Os ensaios fotoeletroquímicos apresentaram fotocorrentes superiores para os compósitos de TiO2/carbono do que para o TiO2 puro. Estas melhorias são atribuídas às propriedades específicas do carbono, tais como a absorção de luz-visível, a presença de grupos funcionais fotoativos, e ao efeito de captação dos eletrões fotogerados. Seguidamente, os ensaios da fotorredução do CO2, apresentaram maior produção de CO para os fotocatalisadores de TiO2/Carbono selecionados do que para o TiO2 puro, confirmando o efeito benéfico da adição do material de carbono.
Descrição
Palavras-chave
TiO2 semiconductor photocatalysis carbon materials CO2 photoreduction