Ionic liquid based dopant-free band edge shift in BiVO4 particles for photocatalysis under simulated sunlight irradiation

Foreign elemental doping is a widely utilized strategy to modify the electronic structure of semiconductors. Herein, we present a dopant-free novel synthesis approach to control the electronic structure of a semiconductor. Utilizing butyl methyl imidazolium ([BMIM]Cl) and methoxyethyl methyl imidazolium ([M(MOE)Im][Cl]) chloride ILs, we prepared four different Bi and V based ILs: 3-butyl-1-methyl-1H-imidazol 3-ium vanadate [BMIm][VO3], 3-(2-methoxyethyl)-1-methyl-1H-imidazol-3-ium vanadate [M(MOE)Im][VO3], 3-butyl-1-methyl-1H-imidazol-3-ium tetrachlorobismate [BMIm][BiCl4] and 3-(2-methoxyethyl)-1-methyl 1H-imidazol-3-ium tetrachlorobismate [M(MOE)Im][BiCl4]. Owing to the bimetallic oxide nature of BiVO4, these gels were mixed either with each other or with Bi/V commercial salts and simply heat-treated to obtain monoclinic BiVO4. Depending on the IL, the bandgap energy of pure BiVO4 will be redshifted (2.44 to 2.25 eV). The IL based synthesis induced oxygen vacancies and uplifted the BiVO4 valence band edge as observed in the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). These effects were profound for IL anchored Bi; however, the side effects of this synthesis were chemisorption of a higher oxygen content and low reactivity of Bi with V to form an additional V2O5 phase. ILs acted as templates to form smooth spherical particles with improved crystallinity. [M(MOE)Im] based synthesis resulted in lower-order crystallinity and a large V–O bonding length of BiVO4 compared to [BMIm] which may be ascribed to its lower-order cationic–anionic electrostatic attraction associated with the presence of oxygen in the ether-group for [M(MOE)Im]. [BMIm] cation-based synthesis suppressed photogenerated charge-recombination and resulted in a five-fold O2 evolution of B30 mmol for 3 h (AM 1.5G illumination) compared to pure BiVO4 which was better compared to the sample prepared by the conventional hydrothermal process. It also improved the photocurrent, and the MS plots have shown that the conduction band was not much affected; however, the defect density was larger for IL based synthesi

Equipamento e processo para deposição de materiais pulverizados em suportes particulados

Universidade Federal do Rio Grande do SulFísicaQuímicaDepositad

Síntese e aplicação de nanotubos de óxido de tântalo fabricados por anodização : um promissor fotocatalisador para fotogeração de hidrogênio

Neste trabalho estudou-se a síntese de nanotubos de Ta2O5 (NTs Ta2O5) fabricados pelo processo de anodização e sua aplicação na fotogeração de hidrogênio (H2). A otimização dos parâmetros de síntese e fotocatálise levou a uma maximização na fotoprodução de H2. O controle da temperatura do eletrólito da anodização proporcionou a escolha da obtenção de NTs de Ta2O5 aderidos ou livres do substrato de tântalo metálico. Os NTs de Ta2O5 formados foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDX), difração de raios X (DRX), refinamento Rietveld, espectroscopia de fotoelétrons induzidos por raios X (XPS), área superficial específíca (BET) e espectroscopia ultravioleta visível (UV-Vis). A fotogeração de hidrogênio utilizando os NTs de Ta2O5 foi avaliada pela fotólise da água. A difratometria de raios X revelou que os NTs de Ta2O5 como anodizados são amorfos, necessitando de tratamento térmico para se obter uma fase cristalina necessária para uma mais eficiente produção de hidrogênio. A combinação entre a elevada cristalinidade, superfície química e área superficial influenciou na atividade fotocatalítica dos NTs. A amostra com 33 % de cristalinidade apresentou uma elevada atividade fotocatalítica na fotogeração de H2. A utilização de etanol como agente de sacrifício fez aumentar a fotogeração de H2 em 12,5 vezes quando comparado com água pura. Para o nosso sistema, as condições de “otimização” para a concentração de massa de NTs e etanol como agente de sacrifício foram de 1,0 mg/mL e 25 %, respectivamente. Pelo uso de etanol como agente de sacrifício, foram produzidos além de H2, outros gases minoritários como CO, CO2, CH4, C2H4 e C2H6. No entanto, a formação desses produtos foi de apenas 3 % para uma produção de H2 de 97 %. A eficiência quântica aparente para a fotogeração de H2 foi de 5,18 ± 0,3%. Na tentativa de aumentar a produção de H2 foi realizado um carregamento de nanopartículas de NiO sobre a superfície dos NTs, fazendo aumentar a eficiência em 8,4±0,7 % com uma taxa de produção de H2 de 56 % maior que a de NTs livres de nanopartículas.In this work the synthesis of Ta2O5 nanotubes (Ta2O5 NTs) fabricated by anodizing process and its application in hydrogen (H2) photogeneration was studied. The optimization of the synthesis and photocatalytic parameters led to maximization the H2 production. Temperature control of the anodizing electrolyte afforded the choice of obtaining Ta2O5 NTs freestanding or adhered on tantalum metal substrate. The Ta2O5 NTs formed has been characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive spectroscopy X-ray (EDX), X-ray diffraction (XRD), Rietveld refinement, induced photoemission spectroscopy X-ray (XPS), specific surface area (BET) and ultraviolet visible spectroscopy (UV-Vis). The photogeneration hydrogen using the Ta2O5 NTs was evaluated by photolysis of water. The X-ray diffractometry revealed that the as-anodized Ta2O5 NTs are amorphous, requiring heat treatment to obtain a crystalline phase necessary for a more efficient hydrogen production. The combination of high crystallinity, surface chemistry and surface area influence the photocatalytic activity of NTs. The sample with 33 % of crystallinity had a high photocatalytic activity for H2 photogeneration. The use of ethanol as a sacrificial agent has increased the H2 photogeneration in 12.5 times compared with pure water. For our system, the optimization conditions for the mass concentration of NTs and ethanol as the sacrificial agent were 1.0 mg/mL and 25 %, respectively. By the use of ethanol as a sacrificial agent, other trace gases such as CO, CO2, CH4, C2H4 and C2H6 in addition to H2 were produced. However, the formation of these products was only 3 %, for a generation of 97 % of H2. The quantum efficiency apparent to photogeneration of H2 was 5.18 ± 0.3 %. In an attempt to increase production of H2 was performed a NiO nanoparticle loading on the surface of NTs, increasing efficiency of 8.4 ± 0.7% with a production rate of 56 % H2 greater than NTs free of nanoparticles

Síntese e aplicação de nanotubos de óxido de tântalo fabricados por anodização : um promissor fotocatalisador para fotogeração de hidrogênio

Neste trabalho estudou-se a síntese de nanotubos de Ta2O5 (NTs Ta2O5) fabricados pelo processo de anodização e sua aplicação na fotogeração de hidrogênio (H2). A otimização dos parâmetros de síntese e fotocatálise levou a uma maximização na fotoprodução de H2. O controle da temperatura do eletrólito da anodização proporcionou a escolha da obtenção de NTs de Ta2O5 aderidos ou livres do substrato de tântalo metálico. Os NTs de Ta2O5 formados foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDX), difração de raios X (DRX), refinamento Rietveld, espectroscopia de fotoelétrons induzidos por raios X (XPS), área superficial específíca (BET) e espectroscopia ultravioleta visível (UV-Vis). A fotogeração de hidrogênio utilizando os NTs de Ta2O5 foi avaliada pela fotólise da água. A difratometria de raios X revelou que os NTs de Ta2O5 como anodizados são amorfos, necessitando de tratamento térmico para se obter uma fase cristalina necessária para uma mais eficiente produção de hidrogênio. A combinação entre a elevada cristalinidade, superfície química e área superficial influenciou na atividade fotocatalítica dos NTs. A amostra com 33 % de cristalinidade apresentou uma elevada atividade fotocatalítica na fotogeração de H2. A utilização de etanol como agente de sacrifício fez aumentar a fotogeração de H2 em 12,5 vezes quando comparado com água pura. Para o nosso sistema, as condições de “otimização” para a concentração de massa de NTs e etanol como agente de sacrifício foram de 1,0 mg/mL e 25 %, respectivamente. Pelo uso de etanol como agente de sacrifício, foram produzidos além de H2, outros gases minoritários como CO, CO2, CH4, C2H4 e C2H6. No entanto, a formação desses produtos foi de apenas 3 % para uma produção de H2 de 97 %. A eficiência quântica aparente para a fotogeração de H2 foi de 5,18 ± 0,3%. Na tentativa de aumentar a produção de H2 foi realizado um carregamento de nanopartículas de NiO sobre a superfície dos NTs, fazendo aumentar a eficiência em 8,4±0,7 % com uma taxa de produção de H2 de 56 % maior que a de NTs livres de nanopartículas.In this work the synthesis of Ta2O5 nanotubes (Ta2O5 NTs) fabricated by anodizing process and its application in hydrogen (H2) photogeneration was studied. The optimization of the synthesis and photocatalytic parameters led to maximization the H2 production. Temperature control of the anodizing electrolyte afforded the choice of obtaining Ta2O5 NTs freestanding or adhered on tantalum metal substrate. The Ta2O5 NTs formed has been characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive spectroscopy X-ray (EDX), X-ray diffraction (XRD), Rietveld refinement, induced photoemission spectroscopy X-ray (XPS), specific surface area (BET) and ultraviolet visible spectroscopy (UV-Vis). The photogeneration hydrogen using the Ta2O5 NTs was evaluated by photolysis of water. The X-ray diffractometry revealed that the as-anodized Ta2O5 NTs are amorphous, requiring heat treatment to obtain a crystalline phase necessary for a more efficient hydrogen production. The combination of high crystallinity, surface chemistry and surface area influence the photocatalytic activity of NTs. The sample with 33 % of crystallinity had a high photocatalytic activity for H2 photogeneration. The use of ethanol as a sacrificial agent has increased the H2 photogeneration in 12.5 times compared with pure water. For our system, the optimization conditions for the mass concentration of NTs and ethanol as the sacrificial agent were 1.0 mg/mL and 25 %, respectively. By the use of ethanol as a sacrificial agent, other trace gases such as CO, CO2, CH4, C2H4 and C2H6 in addition to H2 were produced. However, the formation of these products was only 3 %, for a generation of 97 % of H2. The quantum efficiency apparent to photogeneration of H2 was 5.18 ± 0.3 %. In an attempt to increase production of H2 was performed a NiO nanoparticle loading on the surface of NTs, increasing efficiency of 8.4 ± 0.7% with a production rate of 56 % H2 greater than NTs free of nanoparticles

Perovskite CoTiO3/TiO2 hybrid nanotubes synthesis via pulsed anodization for photoelectrochemical application

Herein, for the first time hybrid perovskite CoTiO3/TiO2 nanotubes have been synthesized by a simple pulsed anodization process. The conventional Ti anodization electrolyte has been modified with Co2+ cations. The key to the hybrid nanotubes formation lies in the pulsed biasing instead of continuous one. The positive voltage cycle helps forming nanotubes due to Ti oxidation/ dissolution and the negative cycle simultaneously assists Co2+ in the tubular matrix in a controllable manner. The heat treatment in Ar flow transformed the amorphous matrix into CoTiO3/TiO2 heterojunction resulting in a significant photocurrent under simulated sunlight which is 5 and 10 fold as compared to the conventional TiO2 nanotubes and hybrid nanotubes heated in air at the same temperature, respectively. The simple process presented in the current work can be helpful in synthesizing perovskite or metal oxide hybrid nanotubes applied in photocatalysis and renewable energy applications

Processo de produção de fotocatalisadores nanoestruturados e produto obtido

Universidade Federal do Rio Grande do SulFísicaDepositad

Processo de produção de fotocatalisadores nanoestruturados e produto obtido

Universidade Federal do Rio Grande do SulFísicaDepositad

Equipamento e processo para deposição de materiais pulverizados em suportes particulados

Universidade Federal do Rio Grande do SulFísicaQuímicaDepositad