Avaliação do papel do óxido de grafeno (GO) e da influência do zinco na geração fotocatalítica de hidrogênio empregando fotocatalisadores híbridos binários (GO-CdS e GO-Cd1-xZnxS) e ternários (Pt-GO-CdS e Pt-GO-Cd1-xZnxS)

Abstract

Hidrogênio obtido a partir de água é um atrativo vetor energético visto que pode ser produzido por fontes renováveis e inesgotáveis, tais como energia solar, água e biomassa. Um novo processo baseado na fotólise da água com auxílio de semicondutores fotocatalíticos, agora aliado ao grafeno, que exibe propriedades estruturais, eletrônicas e de transporte de carga únicas, é considerado uma alternativa promissora. Nesse sentido, a atividade fotocatalítica de sistemas híbridos binários (GO-CdS e GO-Cd1-xZnxS) e ternários (Pt-GO-CdS e Pt-GO-Cd1-xZnxS) foi avaliada na geração de hidrogênio. Para tal, diferentes métodos de síntese, sonoquímico e térmico, foram empregados para preparar compósitos de CdS com óxido de grafeno (GO), bem como a inserção de zinco na estrutura de CdS em diferentes proporções também foi avaliada. Os resultados indicam que o óxido de grafeno (GO) é reduzido durante o tempo de indução da reação de geração de hidrogênio, formando RGO, que também atua como cocatalisador. Dos materiais avaliados, o melhor desempenho foi do compósito ternário obtido por via térmica, Pt(RGO/CdSTT), em função de maior cristalinidade do CdS hexagonal, maior dispersão do GO quando introduzido durante a síntese e maior eficiência no processo de fotorredução de GO a RGO. A combinação desses fatores resultou em um efeito sinérgico da platina com o óxido de grafeno reduzido como cocatalisadores, rendendo uma taxa de produção de hidrogênio de 651,6 µmol gcat-1h-1. A inserção de zinco na estrutura wurtzita de CdS melhorou a atividade fotocatalítica em relação ao CdS sonoquímico em mais de 20 vezes para o sistema binário, GO/SZ2, e cerca de 12 vezes para o sistema ternário, Pt(GO/SZ2). Neste caso, a melhor atividade fotocatalítica pode estar associada ao maior grau de oxidação do grafite (O/C = 1,72) na amostra GO/ZS2 (razão Cd:Zn:S 1:2:4), o que facilita o processo de esfoliação, resultando em menor número de lâminas empilhadas de óxido de grafeno. O tratamento térmico da amostra GO/SZ2 resultou em um aumento significativo da cristalinidade e elevação expressiva da atividade fotocatalítica, 386,65 µmol gcat-1h-1 para GO/SZ2TT e 463,68 µmol gcat-1h-1 para Pt(GO/SZ2TT), em relação à amostra GO/SZ2, 114,87µmol gcat-1h-1.

Hydrogen obtained from water is an attractive vector of energy since it can be produced by renewable and inexhaustible sources such as solar energy, water and biomass. A new process based on water splitting assisted by photocatalytic semiconductors, now allied to graphene which exhibits unique structural, electronic and charge carrier properties, is considered a promising alternative. In this sense, the photocatalytic activity of binary (GO-CdS and GO-Cd1-xZnxS) and ternary (Pt-GO-CdS and Pt-GO-Cd1-xZnxS) hybrid systems was evaluated in the generation of hydrogen. For this, different methods of synthesis, sonochemical and thermal, were used to prepare composites with CdS and graphene oxide (GO), as well the insertion of zinc in the CdS structure in different ratios was also evaluated. The results indicate that graphene oxide (GO) is reduced during the induction time of the hydrogen generation reaction, yielding RGO, which also acts as a cocatalyst. Among evaluated materials, the ternary composite, Pt(RGO/CdSTT), obtained by thermal method, has exhibited the best performance, due to the higher crystallinity of hexagonal CdS, higher dispersion of GO when introduced during the synthesis and higher efficiency in the photoreduction process of GO to RGO. The combination of these factors resulted in a synergistic effect of platinum with reduced graphene oxide as cocatalysts, yielding a hydrogen production rate of 651.6 μmol gcat -1h-1. The zinc insertion in the CdS wurtzite structure has improved the photocatalytic activity with respect to the sonochemical CdS by more than 20 times for the binary system, GO/SZ2, and about 12 times for the ternary system, Pt(GO/SZ2). In this case, the best photocatalytic activity may be associated to the higher degree of graphite oxidation (O/C = 1.72) in the GO/ZS2 sample (Cd:Zn:S ratio 1:2:4), which facilitates the exfoliation process, resulting in fewer stacked graphene oxide sheets. The heat treatment of the GO/SZ2 sample resulted in a significant increase of the crystallinity as well as expressive increase in the photocatalytic activity, 386.65 µmol gcat -1h-1 for GO/SZ2TT and 463.68 µmol gcat -1h-1 for Pt(GO/SZ2TT), in relation to the sample GO/SZ2, 114.87 µmol gcat-1h-1.