Brown TiO2 structured catalyst supported on SiC for ethanol photo-reforming under visible light

Abstract

O dióxido de titânio (TiO2) é amplamente utilizado como fotocatalisador, porém necessita ser suspenso na reação para aumentar sua eficiência. Isso pode resultar em problemas relacionados à sustentabilidade do material, já que pode ser usado apenas uma vez e/ou posteriormente requer várias etapas de separação. Para contornar este problema, TiO2 é combinado com outro semicondutor em um suporte, que juntos podem aumentar a sua atividade fotocatalítica. Devido as propriedades que apresenta, o carbeto de silício (SiC) é considerado um substrato atrativo para o TiO2, principalmente relacionado à redução do bandgap e a adsorção do material sob luz visível. Neste contexto, TiO2 foi modificada usando brometo de cetiltrimetilamônio (CTAB) para promover a geração de vacâncias de oxigênio, além de aumentar sua foto atividade sob a luz visível, sendo essa confirmada pelo UV-vis. Um catalisador suportado de SiC com resíduo de frita cerâmica foi produzido pelo método de réplica, que consiste em impregnar um suporte orgânico poroso em uma pasta (pó cerâmico + vidro em pó + aditivos), tratar termicamente e assim promover a queima do suporte e a sinterização da fase liquida, resultando na réplica do substrato orgânico. A pasta foi desenvolvida variando a composição de sólidos e utilizando um tratamento térmico a temperatura relativamente baixa. A porosidade das amostras depois do tratamento térmico variou entre 85.4 e 87.2%. As imagens de microscopia mostram a fase vítrea unindo as partículas de SiC. Os ensaios mecânicos indicam um valor médio de 1.5 MPa para compressão. O método de dip coating foi escolhido para recobrir o suporte de SiC com TiO2. A análise por EDS confirmou a distribuição das partículas de TiO2 sobre o suporte cerâmico. A fotorreforma de etanol-água foi escolhida para produzir hidrogênio através de um reator em semi-batelada e as medições foram obtidas com um sensor MQ-8. O bandgap medido foi 3.31, 3.07, 3.43 e 3.48 para SiC, TiO2B, SiC-TiO2 P25 e SiC-TiO2B. Os resultados mostraram uma taxa de produção de H2 sob luz visível de 0.097 ± 0.006, 0.115 ± 0.002 and 0.121 ± 0.007 mol H2 h-1.

Abstract: Titanium dioxide (TiO2) is widely used as a photocatalyst but must be suspended within the reaction system to enhance efficiency. However, this could result in problems in the environment way since the catalyst can only be used once or requires several separation steps afterward. To overcome this problem, TiO2 is combined with other semiconductors on a suitable support, which, together with TiO2, could improve its material photocatalyst characteristics. Due to the properties offered, silicon carbide (SiC) foam ceramics have been considered an attractive substrate for TiO2, regarding the bandgap reduction and improved material adsorption in visible light. In this context, a brown TiO2 has been modified using cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) to promote the generation of oxygen vacancies and improve photocatalytic activity under visible light. The UV-vis analysis confirmed the visible absorption of TiO2B. A glass bonded-SiC catalyst support manufactured using the replication method, which consists of impregnating porous organic support with a precursor slurry (ceramic powder + glass powder + additives) firing afterward, causing the burnout of the polymer and the liquid phase assisted sintering of the ceramic-glass body, replicating the organic substrate. The slurry was developed by studying composition and solids' content and exploring heat treatments at a relatively low temperature. The porosity of the samples after firing varied from 85. to 87.2%. The microscopic images show a glass phase in the samples, bonding SiC particles together. The mechanical tests indicate an average value of 1.5 MPa for compression. A dip coating impregnation method was used to functionalize the SiC-based support with TiO2, and the EDS images show the TiO2B particle distributed in the SiC support surface. The XRD spectra demonstrated the permanence of the phases after fast-firing. A photo-reform of an ethanol-water system was applied to produce hydrogen through a homemade semi-bath reactor and measured with the aid of an MQ-8 sensor. The bandgap was 3.31, 3.07, 3.43 and 3.48 for SiC, TiO2B, SiC-TiO2 P25, and SiC-TiO2B. The results showed the H2 generation rate under visible light was 0.097 ± 0.006, 0.115 ± 0.002 and 0.121 ± 0.007 mol H2 h-1 for SiC, SiC-TiO2 P25, and SiC-TiO2B, respectively.