Modificação de nanotubos de TiO2 por grafeno

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 22577 (2022) Citar este artigo

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Aqui, demonstramos que a modificação de nanotubos de TiO2 com perovskita de grafeno-estrôncio e molibdato de cobalto pode transformá-los em eletrocatalisadores ativos para a reação de evolução de hidrogênio (HER). Para tanto, um método simples de síntese hidrotérmica de perovskitas foi desenvolvido diretamente sobre o substrato de nanotubos de TiO2. Além disso, os híbridos obtidos também foram decorados com óxido de grafeno (GO) durante a síntese hidrotérmica de uma etapa. Os materiais obtidos foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura com análise de energia dispersiva de raios X, espectroscopia Raman e análise de difração de raios X. As propriedades catalíticas foram verificadas por métodos eletroquímicos (voltametria linear, cronopotenciometria). Os híbridos obtidos foram caracterizados por propriedades catalíticas muito melhores para a reação de evolução do hidrogênio em comparação com o TiO2 e ligeiramente piores que a platina. O catalisador híbrido otimizado (decorado por GO) pode conduzir uma densidade de corrente catódica de 10 mA cm-2 em um sobrepotencial de 121 mV para HER com uma pequena inclinação Tafel de 90 mV dec-1 em 0,2 M H2SO4.

A reação de evolução do hidrogênio (HER) é uma reação crucial na divisão da água. Ainda é necessário sintetizar eletrocatalisadores HER baratos de uma forma que seja eficaz, direta e ecologicamente benigna. O projeto da estrutura núcleo-casca apropriada do catalisador e o controle de sua forma afetam a atividade e a durabilidade do catalisador1. Uma estrutura tridimensional do catalisador é benéfica para expor a área superficial e fornecer os sítios ativos, bem como é propícia à difusão e adsorção de moléculas de hidrogênio, agilizando o processo HER2,3. Além disso, a estrutura tridimensional do catalisador influencia o desempenho da reação de evolução de oxigênio4. Uma nanoestrutura hierárquica núcleo-casca de um catalisador composto de muitas redes condutoras interconectadas fornece vários canais para entrega iônica ou eletrônica5. A nanoliga semelhante a uma esponja tratada com plasma exibe alto desempenho de HER devido à exposição de locais mais ativos e de borda6. Além da estrutura do catalisador, outro fator que afeta as propriedades do catalisador é sua dopagem com, por exemplo, heteroátomos de nitrogênio7. Em comparação com o conhecido e caro catalisador de platina, o TiO2 é amplamente explorado como um catalisador alternativo. No entanto, para aumentar a atividade eletrocatalítica do TiO2, são necessárias diferentes modificações. Em alguns artigos, o TiO2 foi associado a metais como níquel8, rutênio9, 10, ouro11, cobalto12, óxidos metálicos como Co3O413, BiVO414 ou estruturas metal-orgânicas15. Materiais muito promissores projetados com TiO2 para catalisar o HER são sulfetos metálicos, por exemplo, MoS216,17,18,19, CoS220 ou WS221. Além disso, compósitos híbridos com polímeros como polímero orgânico poroso à base de truxeno22 ou poli(anilina)23, poli(o-fenilenodiamina), poli(tiofeno) ou poli(pirrol)24 provaram ser candidatos desejados para aumentar a atividade fotocatalítica do TiO2 . Outra forma de modificar as propriedades do eletrocatalisador é a dopagem com não metais. Conforme descrito em muitos artigos, dopagem com enxofre, dopagem com nitrogênio ou dopagem com carbono reduz o bandgap de TiO225,26,27. Outra forma de melhorar as propriedades foi descrita por Pandey et al. onde em previsões teóricas uma estrutura híbrida do líquido iônico trifluorometanossulfonato de 1-etil-3-metilimidazólio e (TiO2)n nanoclusters (com n = 2−12) foi investigada na busca de novos materiais catalisadores para HER28 eficaz. Além disso, híbridos de TiO2 e materiais de carbono como óxido de grafeno13, 29 e nanotubos de carbono de paredes múltiplas30. Nanocompósitos de óxido de grafeno com estrutura metal-orgânica descritos na literatura também foram eletrocatalisadores eficientes para produção de hidrogênio via mecanismos de Volmer e Heyrovsky31. A desvantagem de muitas soluções ainda é a dopagem com metais caros como prata, platina29. Portanto, é importante encontrar novas soluções, mas sem metais caros e fáceis de preparar.