Calcogenetos metálicos (CuS ou MoS2)

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7994 (2023) Citar este artigo

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Aqui, relatamos a modificação de nanoestruturas de TiO2 com dois calcogenetos metálicos diferentes (CuS ou MoS2). O efeito do esquema de preparação (métodos hidrotérmico e coprecipitação) e a razão de massa de calcogenetos metálicos foram investigados. Os nanocompósitos fotocatalisadores sintetizados foram completamente caracterizados por várias técnicas. Além disso, análises foto/eletroquímicas foram realizadas para investigar as propriedades fotoelétricas e o mecanismo fotocatalítico. O desempenho fotocatalítico foi avaliado usando duas reações de teste. No caso da geração de H2 via separação de água, descobriu-se que 0,5% em peso de CuS-TiO2 sintetizado pelo método de coprecipitação exibiu uma taxa inicial de evolução de hidrogênio (HER) de 2,95 mmol h-1 g-1. Já o MoS2-TiO2 otimizado a 3% em peso, sintetizado pelo método hidrotérmico, apresentou um HER de 1,7 mmol h−1 g−1. Além disso, a eficiência de degradação do corante azul de metileno foi de 98% sob irradiação de luz UV-Vis em 2 h em 0,5 CT_PP e 3MT_HT. Sob irradiação visível, a eficiência de degradação foi de 100% e 96% para 3MT_PP e 0,5CT_HT na presença de H2O2, respectivamente. Este estudo provou que os calcogenetos metálicos podem atuar como cocatalisadores bifuncionais eficazes, estáveis ​​e de baixo custo para melhorar o desempenho fotocatalítico geral.

A acessibilidade à água potável e às fontes de energia renováveis ​​são consideradas dois dos maiores desafios da humanidade no século XXI1. Atualmente, o desenvolvimento da indústria depende fortemente dos combustíveis fósseis. No entanto, as fontes de combustível fóssil podem se esgotar no futuro. Além disso, a utilização crescente causa extensas emissões de gases de efeito estufa. O desenvolvimento de fontes ecológicas e ambientalmente corretas de energia é altamente desejável. Recentemente, a fotocatálise baseada em semicondutores tem sido investigada como uma estratégia promissora para purificação de água e produção de hidrogênio2,3.

Desde o trabalho pioneiro de Honda e Fujishima em 1972 na separação de água sobre eletrodos de TiO2 tipo n4, vários estudos foram realizados para explorar materiais adequados. Muitos semicondutores, TiO2, CdS e ZnO, foram desenvolvidos para geração de hidrogênio e tratamento de água5.

O TiO2 é considerado o fotocatalisador mais utilizado devido à sua disponibilidade, grande estabilidade química e não toxicidade6,7,8. No entanto, o TiO2 sofre de uma resposta insuficiente à luz visível porque possui um amplo intervalo de banda (E0 = 3,2 eV), a alta taxa de recombinação de portadores de carga fotoexcitados e a rápida reação reversa. Assim, várias tentativas têm sido feitas para aumentar a atividade fotocatalítica do TiO29,10,11,12. Devido a essas limitações, vários esquemas foram feitos para alterar TiO2 com metais nobres (por exemplo, Pt, Pd, Au e Ag)13,14, metais de transição (por exemplo, Cu e Ni)15,16 e seus óxidos (por exemplo, NiO e CoOx)17,18, sensibilização de corantes19 e construção de heterojunções com outros semicondutores20,21. Muitos estudos empregaram metais nobres e seus óxidos (por exemplo, Pt, Pd, RuO2 e Ag2O)14,22,23,24 como potenciais cocatalisadores para elevar a atividade fotocatalítica do TiO2. No entanto, os metais nobres são muito caros; assim, a modificação com metais não nobres como cocatalisador é urgente.

Nos últimos anos, fotocatalisadores de calcogenetos metálicos, como CdS, CuS, MoS2 e ZnS, têm atraído uma atenção considerável devido à sua eficiente atividade fotocatalítica para separação de água e tratamento de águas residuais. Essas propriedades podem ser explicadas devido aos seus gaps estreitos, estrutura física e química adequada, estabilidade térmica suficiente e boa resposta à luz visível25,26,27,28. Portanto, o acoplamento de sulfetos metálicos com TiO2 tem desempenhado um papel crucial, encorajando a separação de pares elétron-buraco fotogerados e elevando a atividade fotocatalítica para degradação de corantes e geração de hidrogênio. Entre esses sulfetos metálicos, o CuS é um semicondutor de sulfeto metálico com banda proibida estreita (2,0–2,2 eV), não tóxico, barato e disponível29. Além disso, CuS/TiO2 formam heterojunção tipo II, como resultado, a separação dos portadores fotoexcitados foi melhorada. Para MoS2, é um semicondutor de estrutura em camadas 2D com um gap indireto de 1,2 eV e um gap direto na forma de monocamada de 1,8 eV. Hu et ai. relataram que as nanofolhas de MoS2 melhoram drasticamente o desempenho de CdS para 49,8 mmol h-1 g-1 para a evolução fotocatalítica de H230. Além disso, o MoS2 também foi investigado para ser acoplado ao TiO2 para aumentar a geração fotocatalítica de hidrogênio e a degradação do corante sob a irradiação de luz ultravioleta e visível31,32. Embora muitos relatórios tenham estudado a atividade fotocatalítica aprimorada do TiO2 modificado com sulfetos metálicos, esses estudos se concentraram principalmente em métodos de síntese envolvendo longos tempos de preparação e condições de alta temperatura. O método de coprecipitação fácil é uma técnica simples para preparar TiO2 carregado por cocatalisadores CuS e MoS2 com alta atividade para geração de H2 e degradação de corante.