Obtenção e aplicação de fotoanodos baseados em TiO2 com adição de nitretos de carbono polimérico do tipo poli(heptazina imida)
| Ano de defesa: | 2022 |
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Universidade Federal de São Carlos
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Programa de Pós-Graduação em Química - PPGQ
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Resumo: | In this work, poly(heptazine imide) carbon nitrides containing metals single atom in the ionic form were evaluated alone and in the combination with TiO2. Initially, a percentage of 2.5% of the nickel-containing material (Ni-PHI) was added to a commercial TiO2 paste and applied to methanol oxidation under solar-simulated radiation and UV light. On a 30-layer film and under UV radiation, the TiO2-Ni-PHI sample obtained a photocurrent response of 11 mA cm-2. The performance improvement with Ni-PHI is probably due to the formation of a heterojunction between TiO2 and PHI, while nickel sites act through a cocatalysis process. In situ measurements allowed to infer that methanol was selectively oxidized to formaldehyde in the dark, and formic acid and CO2 under light. When coating Ni-PHI with a polymer of intrinsic microporosity (PIM-1) there was an intensification of the photocurrent by mechanical stabilization and subsequent re-oxidation of photogenerated H2 in the system. The behavior of Co-PHI, Co-Ni-PHI, and K-PHI was also evaluated, and it was possible to observe that the samples containing transition metals had the potential to be applied both in reduction and oxidation reactions, due to the ease of nox change of the cations used, but the highest photocurrent was obtained by K-PHI, the most conductive and organized sample. In the screening of different percentages of K-PHI to TiO2, it was found that high percentages (above 5%) created charge recombination sites, reducing the performance of the photoanode. The 5% TiO2-K-PHI film had promising results in the oxidation of paraoxon (POX) and its derivative p-nitrophenol (p-NP), where the removal rates of these pollutants increased significantly with the addition of H2O2, and consequently ROS generation, which preferentially favors indirect degradation processes, reaching removal rates of more than 80%. All these results indicate that the photoanodes obtained prove to be interesting alternatives for use in energy generation devices, as well as for chemical detoxification. |
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On a 30-layer film and under UV radiation, the TiO2-Ni-PHI sample obtained a photocurrent response of 11 mA cm-2. The performance improvement with Ni-PHI is probably due to the formation of a heterojunction between TiO2 and PHI, while nickel sites act through a cocatalysis process. In situ measurements allowed to infer that methanol was selectively oxidized to formaldehyde in the dark, and formic acid and CO2 under light. When coating Ni-PHI with a polymer of intrinsic microporosity (PIM-1) there was an intensification of the photocurrent by mechanical stabilization and subsequent re-oxidation of photogenerated H2 in the system. The behavior of Co-PHI, Co-Ni-PHI, and K-PHI was also evaluated, and it was possible to observe that the samples containing transition metals had the potential to be applied both in reduction and oxidation reactions, due to the ease of nox change of the cations used, but the highest photocurrent was obtained by K-PHI, the most conductive and organized sample. In the screening of different percentages of K-PHI to TiO2, it was found that high percentages (above 5%) created charge recombination sites, reducing the performance of the photoanode. The 5% TiO2-K-PHI film had promising results in the oxidation of paraoxon (POX) and its derivative p-nitrophenol (p-NP), where the removal rates of these pollutants increased significantly with the addition of H2O2, and consequently ROS generation, which preferentially favors indirect degradation processes, reaching removal rates of more than 80%. All these results indicate that the photoanodes obtained prove to be interesting alternatives for use in energy generation devices, as well as for chemical detoxification.Neste trabalho nitretos de carbono do tipo poli(heptazina imida), contendo single atom de metais na forma iônica foram avaliados sozinhos e sua combinação com TiO2. Inicialmente, uma porcentagem de 2,5% em massa do material contendo níquel (Ni-PHI) foi adicionado à uma pasta comercial de TiO2, e aplicado para reação de oxidação de metanol sob radiação solar simulada e iluminação UV. Em um filme de 30 camadas e sob radiação UV, a amostra TiO2-Ni-PHI obteve uma resposta em fotocorrente de 11 mA cm-2. A melhora no desempenho com Ni-PHI é provavelmente devido à formação de uma heterojunção entre o TiO2 e o PHI, enquanto os sítios de níquel atuam através de um processo de cocatálise. Medidas in situ permitiram inferir que o metanol era oxidado seletivamente à formaldeído no escuro, e à ácido fórmico e CO2 sob iluminação. Ao recobrir Ni-PHI com um polímero de microporosidade intrínseca (PIM-1) houve uma intensificação da fotocorrente por estabilização mecânica e posterior re-oxidação de H2 fotogerado no sistema. Avaliou-se também o comportamento de Co-PHI, Co-Ni-PHI e K-PHI e foi possível observar que as amostras contendo metais de transição apresentavam potencial para serem aplicadas tanto em reações de redução quanto de oxidação, devido a facilidade de mudança de nox dos cátions empregados, porém a maior fotocorrente foi obtida pela amostra mais condutora e organizada K-PHI. Com a avaliação de diferentes porcentagens de K-PHI à TiO2, verificou-se que elevadas porcentagens (acima de 5%) criavam sítios de recombinação de carga, diminuindo o desempenho do fotoanodo. O filme de TiO2-K-PHI 5% teve resultados promissores na oxidação de paraoxon (POX) e seu derivado p-nitrofenol (p-NP) e a porcentagem de remoção destes poluentes aumentou significativamente com a adição de H2O2, com consequente geração de espécies reativas de oxigênio (ROS), que favorecem preferencialmente processos de degradação indireta, atingindo taxas de remoção de mais de 80%. Todos esses resultados indicam que os fotoanodos obtidos se mostram como alternativas interessantes para uso em dispositivos de geração de energia, bem como para detoxificação química.OutraConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Processo n° 141091/2018-5, CNPqProcesso n° 88887.465542/2019-00, CAPES-PRIntProcesso n° 2022/11806-2, ShellporUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Química - PPGQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessNitretos de carbono poliméricosReação de oxidação de methanolOxidação fotoeletroquímicaSingle atom catalystCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICAObtenção e aplicação de fotoanodos baseados em TiO2 com adição de nitretos de carbono polimérico do tipo poli(heptazina imida)Obtention and application of TiO2-based photoanodes with addition of Poly(Heptazine Imide) Carbon nitridesinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis60060048af9879-81a8-4651-b821-5243ab976eb2reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTese_SFB_final.pdfTese_SFB_final.pdfapplication/pdf7332609https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/bccfd1b7-e896-41f0-9996-0695e8fda454/download5d4d07984399b0d7349d2d8e470c83b5MD52trueAnonymousREADcarta-comprovante_homologacao.pdfcarta-comprovante_homologacao.pdfapplication/pdf152394https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/5559f836-1aed-4f48-bf39-1b36dbc406cb/download70c2ad0497dcb4ac9ca0b2e3592aae6bMD54falseCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/71d9a0ec-75e9-4269-8bdd-3c3641da45ec/downloade39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD55falseAnonymousREADTEXTTese_SFB_final.pdf.txtTese_SFB_final.pdf.txtExtracted texttext/plain257757https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/0b2b20b1-c890-47f0-92bb-2c047aec1fad/download9eb49b8def861bc7da5459befb1e30d0MD510falseAnonymousREADcarta-comprovante_homologacao.pdf.txtcarta-comprovante_homologacao.pdf.txtExtracted texttext/plain1458https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/195d9812-f689-46bd-b9e6-0c4b97d42027/download199c60a132211ff07bb32a3d3f63240aMD512falseTHUMBNAILTese_SFB_final.pdf.jpgTese_SFB_final.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg8741https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/415d6a91-a68f-429f-b9dc-9fa3e5592d80/downloadef2e662d2d75c19c5a065ffc0ac7547fMD511falseAnonymousREADcarta-comprovante_homologacao.pdf.jpgcarta-comprovante_homologacao.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg9518https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/418bdd17-4a44-40b4-9d5c-fea5c84f19d8/download720b0034457793ae066cfc32bc09fee6MD513false20.500.14289/165482025-02-05 21:49:38.151http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/16548https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T00:49:38Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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