Desenvolvimento de nanocompósitos cerâmicos baseados em TiO2/FeS2/SiOC para obtenção de hidrogênio por fotocatálise

Abstract

Este estudo visa desenvolver novos materiais para aplicações em fotocatálise, com o objetivo de produzir hidrogênio verde (H2V), um combustível promissor para a transição energética. Para isso, foi processado um nanocompósito cerâmico utilizando TiO2, FeS2 e um polímero precursor cerâmico da classe dos policarbosiloxanos (H44). A combinação desses materiais surge da necessidade de melhorar a eficiência fotocatalítica por meio da sinergia entre os componentes, promovendo a formação de heterojunções capazes de mitigar limitações comumente observadas em sistemas fotocatalíticos, tais como a recombinação de pares elétron-lacuna e as restrições à absorção da radiação na região do visível. Para o processamento, os materiais foram misturados em composições pré-definidas e submetidos a tratamento térmico em forno mufla em temperaturas de até 800 °C. Para compreender o comportamento de pirólise e investigar as fases formadas, as composições formuladas foram caracterizadas por Análise Termogravimétrica (TGA), Espectroscopia no Infravermelho (FTIR) e Difração de Raios X (DRX). As análises de TGA indicaram que a presença do polímero precursor influencia significativamente o comportamento térmico do sistema, contribuindo para aumentar a estabilidade química dos componentes durante o tratamento térmico. Por meio das análises de FTIR e DRX, foi possível verificar que as amostras com maior quantidade de H44 em sua formulação apresentam maior resistência à oxidação da pirita, ao mesmo tempo em que favorecem a estabilização da fase anatase do TiO2. A partir dessas análises, foi definida a temperatura de 400 °C como a mais adequada para o processamento dos materiais, uma vez que, em temperaturas superiores, a pirita passa a sofrer oxidação. As propriedades ópticas das amostras pirolisadas a 400 °C foram avaliadas por Espectroscopia de Refletância Difusa (DRS), indicando valores de band gap variando entre aproximadamente 2,33 e 2,80 eV, inferiores ao valor típico do TiO2 puro (~3,2 eV). Essa redução do intervalo de banda sugere ampliação da absorção na região do espectro visível, atribuída à presença do FeS2 e à formação de heteroestruturas semicondutoras no sistema TiO2/FeS2. Os resultados obtidos demonstram que a estratégia de incorporação de FeS2 em matriz cerâmica derivada de polímero, associada à incorporação de TiO2, constitui uma abordagem promissora para o desenvolvimento de novos materiais fotocatalíticos ativos na região da luz visível, contribuindo para o avanço de tecnologias voltadas à produção sustentável de hidrogênio.

Abstract: This study aims to develop new materials for photocatalytic applications to produce green hydrogen (GH2), a promising fuel for the energy transition. For this purpose, a ceramic nanocomposite composed of TiO2, FeS2, and a polymer-derived ceramic precursor from the polycarbosiloxane class (H44) was processed. The combination of these materials arises from the need to improve photocatalytic efficiency through synergy among components, promoting the formation of heterojunctions that mitigate common limitations in photocatalytic systems, such as electron?hole recombination and limited visible-region absorption. For processing, the materials were mixed in predefined compositions and subjected to thermal treatment in a muffle furnace at temperatures up to 800 °C. To understand the pyrolysis behavior and investigate the phases formed, the formulated compositions were characterized using Thermogravimetric Analysis (TGA), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), and X-ray Diffraction (XRD). The TGA results indicated that the presence of the polymer precursor significantly influences the system's thermal behavior, thereby increasing the chemical stability of the components during thermal treatment. FTIR and XRD analyses revealed that samples with higher H44 content exhibit greater resistance to pyrite oxidation and favor the stabilization of the anatase phase of TiO2. Based on these results, 400 °C was defined as the most suitable temperature for processing the materials, since pyrite oxidation becomes significant at higher temperatures. The optical properties of the samples pyrolyzed at 400 °C were evaluated by Diffuse Reflectance Spectroscopy (DRS), indicating band gap values ranging from 2.33 to 2.80 eV, which are lower than the typical value of pure TiO2 (~3.2 eV). This band gap reduction suggests an extension of light absorption into the visible region, attributed to the presence of FeS2 and the formation of semiconductor heterostructures in the TiO2/FeS2 system. The results demonstrate that incorporating FeS2 into a polymer-derived ceramic matrix containing TiO2 represents a promising approach for developing new photocatalytic materials active in the visible region, contributing to the advancement of technologies for the sustainable production of hydrogen.