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Tesis Doctoral
DOI
10.11606/T.46.2017.tde-26062017-143432
Documento
Autor
Nombre completo
Alexandre Luiz Bonizio Baccaro
Dirección Electrónica
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
São Paulo, 2017
Director
Tribunal
Gutz, Ivano Gebhardt Rolf (Presidente)
Bertotti, Mauro
Santos, Mauro Coelho dos
Serrano, Silvia Helena Pires
Zanoni, Maria Valnice Boldrin
Título en portugués
Fenômeno fotoeletrocatalítico mediada por UV/TiO2: da rápida imobilização do TiO2 P25 em eletrodos de ouro ao seu comportamento na fotooxidação do sistema modelo EDTA em células de camada delgada irradiadas por LED UV
Palabras clave en portugués
Filmes Nanoparticulados de P25 em Ouro
Fotocatálise UV/TiO2
Fotooxidação de EDTA
Modificações de Eletrodos por Drop Coating
Resumen en portugués
O demorado tratamento térmico, comum no preparo de fotocatalisadores e sua imobilização em substratos, foi contornado nesta tese, em que se investigaram duas estratégias de modificação de eletrodos de ouro com TiO2 P25. A primeira consiste em promover a formação de uma nanocamada pela simples exposição do metal por 1 min à suspensão aquosa de TiO2 (10 g L-1 em HCl 0,1 mol L-1); na segunda, deposita-se uma pequena alíquota (5 ou 8 µL) da suspensão diretamente no substrato (drop coating) para secá-lo em seguida por irradiação com lâmpada incandescente (60 W a 20 cm), obtendo-se bons resultados de uma a três camadas depositadas. Comprovou-se grande aumento da estabilidade da suspensão aquosa e duplicação da atividade fotocatalítica do nanofilme de TiO2 em decorrência da repulverização de P25 comercial em almofariz, melhoria inalcançável por sonicação da suspensão. O tamanho de partícula médio obtido por DLS para o TiO2 disperso em meio de HCl 0,1 mol L-1 atingiu 103±3 nm, enquanto que o filme depositado na superfície do ouro (observado por MEV e caracterizado por EDS) não ultrapassou 100 nm de espessura, sendo dominado por partículas de diâmetro de 20 (anatase) a 30 nm (rutilo), observadas por MET. A estabilidade da suspensão é susceptível ao ânion do ácido utilizado, sendo que resultados igualmente satisfatórios foram obtidos com HCl e HclO4 0,1 mol L-1, enquanto que para a mesma concentração de H2SO4 o TiO2 sofreu sedimentação rápida e o eletrodo preparado com a suspensão apresentou fotoatividade 10x menor. Filmes de espessuras bastante distintas (100 nm e 2 m) depositados a partir de suspensão 10 g L-1 por contato e drop coating com gota de 5,0 µL, respectivamente, foram comparados em relação à sua capacidade de transporte de elétrons e resposta eletroquímica ao Fe(CN)6 3 1,0 mmol L-1, sendo que a carga líquida formal de oxidação do EDTA 1,0 mmol L-1 é apenas 50 % maior para o filme 20x mais espesso, além de gerar distorções consideráveis nas ondas voltamétricas do sistema-sonda reversível em relação ao filme nanométrico e à superfície polida. Com eletrodos modificados pelo protocolo otimizado de drop coating (8,0 µL de TiO2 2 g L-1), testou-se o efeito da presença de diferentes eletrólitos de suporte (ácidos 0,1 mol L-1) em processos anódicos de fotooxidação em geral. A curva de decaimento da fotocorrente iph com o tempo pode ser descrita por uma equação de decaimento exponencial duplo iph = i0 + A1 exp(k1t) + A2 exp( k21t), permitindo distinguir as contribuições da fotocorrente de oxidação da água (i0) e de termos referentes a dois tipos de sítio superficiais, sendo um de cinética rápida e outro de cinética lenta. A seguinte ordem foi determinada para a fotocorrente total inicial (iph0 total) dos eletrólitos: HNO3 > HClO4 > HCl > H1SO4 > H3PO4 e as explicações propostas para tal se embasam na adsortividade dos ânions no TiO2 e na reatividade dos respectivos traps formados. O mesmo modelo de ajuste matemático foi utilizado para avaliar a fotoatividade do eletrodo modificado pela sua irradiação sucessiva e repetida em HNO3 0,1 mol L-1 (sem EDTA), sendo observada redução significativa principalmente nos parâmetros relativos aos sítios de reação e, assim, sugere-se um impedimento dos mesmos através, p. ex., da formação de peróxidos superficiais. Na presença também de EDTA, a carga líquida total despendida na sua fotooxidação se mantém relativamente constante nas sucessivas irradiações. Por fim, os experimentos de fotooxidação do EDTA sob varredura de potencial revelaram uma região de relação linear entre a fotocorrente e o potencial aplicado ao eletrodo modificado com TiO2 que se estende até a região de saturação de fotocorrente ser atingida, comportamento compatível com filmes nanoparticulados porosos não-dopados. A inclinação da região linear aumenta em função da [EDTA], como se os valores de condutância (di/dE) se elevassem dependendo da reação interfacial. Ajuste de modelo matemático hiperbólico correlacionando a (foto)resistência do filme em função da fotocorrente de saturação R = R0 + kIsph1, fornece resistência ôhmica do filme R0 de 5,0 kΩ e uma constante atrelada ao fotopotencial de 237 mA Ω. Já a curva monotônica de fotocorrente de saturação (Isph) com a [EDTA] apresenta comportamento linear até cerca de 0,7 mmol L-1, sugerindo-se que nessa região o controle por transporte de massa é a etapa limitante do processo global. Acima dessa concentração o coeficiente angular diminui gradualmente à medida que a reação de cinética de captura das lacunas passa a ser o determinante até um limite máximo (aparentemente 5,0 mmol L-1 de EDTA, nas condições do experimento) onde a disponibilidade de lacunas fotogeradas passa a governar.
Título en inglés
The photoelectrocatalytic phenomenon mediated by UV/TiO2: from the quick immobilization of the P25 TiO2 on gold electrodes to its behavior on the photooxidation of the model system EDTA in thin layer-type cells irradiated by UV LED
Palabras clave en inglés
Drop Coating Modification of Electrodes
EDTA-photooxidation
Nanoparticulate films of P25 on Gold
UV/TiO2-photocatalysis
Resumen en inglés
The lengthy thermal treatment is a common step during the preparation and immobilization of photocatalysers on substrates, which by the way, was overcome in this thesis by the investigation of two strategies of modification of gold electrodes with P25 TiO2. The first one consists in promoting the formation of a nanolayer by the simple exposure of the metal surface to an aqueous suspension of TiO2 (10 g L-1 on 0.1 mol L-1 HCl) during 1 min; the second involves the deposition of a small drop (5 or 8 L) of the suspension on the gold substrate (drop coating) and its drying by irradiation with an incandescent lamp (60 W at 20 cm far), with worthy results also for two or three deposited layers. The stability of this aqueous suspension was appreciably improved by the repulverization of commercial P25 in a grinding mortar. As a consequence the photocatalytic activity conferred to the electrode by the formation of the TiO2 nanofilm doubled. Such improvements cannot be attained by bath sonication of the suspension. The average particle size determined by DLS for the TiO2 dispersed in 0.1 mol L-1 HCl was 103±3 nm, while the film deposited on the surface of gold consisted of particles of 20 nmn (anatase) and 30 nm (rutile) characterized by TEM and barely achieved a thickness of 100 nm (characterized by SEM and EDS). The stability of the modifying suspension is susceptible to the type of anion of the electrolyte. Good results were found with 0.1 mol L-1 HCl and HClO4, but not with 0.1 mol L-1 H2SO4. This last medium causes fast sedimentation of TiO2 and generates electrodes with one tenth of the photoactivity achieved with the other acids. The effect of film thickness on the photoactivity was evaluated for films with 100 nm and 2.0 µm prepared from a 10 g L-1 TiO2 suspension by the contact and drop coating (5 µL) strategies, respectively. The electron transport across both films and the electrochemical response for the 1.0 mmol L-1 Fe(CN) 63- probe was compared. The formal net charge for the 1.0 mmol L-1 EDTA oxidation was only 50 % higher for the 20x thicker film that also considerably distorts the voltammetric waves of the aforementioned reversible probe. The effect of different supporting electrolytes (0.1 mol L-1 acids) on the anodic photooxidation processes in general was tested with electrodes modified by an optimized drop coating protocol (8.0 µL of 2 µg L-1 TiO2). The curve describing the photocurrent decay in function of time might be ascribed to an equation of double exponential decay iph = i0 + A1 exp(k1t) + A2 exp (k2t), which allows the distinction of the contribution of water oxidation (i0) from terms of two types of surface sites: a kinetically fast site and a slow one. The total initial photocurrent (iph0 total) of the following electrolytes decays in the order: HNO3 > HClO4 > HCl > H2SO4 > H3PO4; explanations comprise the adsorbability of each respective anion on TiO2 and the reactivity of the corresponding traps formed. Similar curve fitting applied to the data of photoactivity of the gold electrode during successive irradiations of its surface in 0.1 mol L-1 HNO3 (absence of EDTA) revealed that sites reactivities underwent considerable reduction. It is suggested that during repetitive experiments the sites are impaired by the formation of surface peroxides. However, in the presence of 1.0 mmol L-1 of EDTA, the formal net charge of oxidation of the organic species remains almost unaltered. Ultimately, the experiments concerning the photooxidation of EDTA under linear potential scan revealed a region of linear relation between the photocurrent and the potential applied to the electrode modified with a TiO2 film (nanometric or micrometric), which holds until the saturation photocurrent is attained. This behavior is typical for porous non-doped nanoparticulate electrodes. The slope of the linear region increase somewhat with the EDTA concentration, as though the conductance values (di/dE) were raised depending on the interfacial reaction rate. The fitting of a hyperbolic model R = R0 + kIsph-1 for the correlation of the (photo)resistence (R) of the film with the photocurrent of saturation (Isph) allows the estimation of an ohmic resistance of 5.0 kΩ, and a photopotential related constant of 237 mA Ω. The curve of correlation between Isph and the [EDTA] is linear fit until 0.7 mmol L-1, suggesting that in this initial region the mass transport to the interface is the limiting step of the global process. Above that concentration, the slope of the curve is gradually reduced as the kinetic of capture of the holes becomes the determining step and from 5.0 mmol L-1 on an asymptotic Isph is reached (under the conditions of the experiments), where the holes photogeneration might start governing.
 
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Fecha de Publicación
2017-06-29
 
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