Síntesis de sistemas compuestos por materiales grafénicos y TiO2 para su evaluación en la producción fotocatalítica de hidrógeno

Abstract

La producción de hidrógeno (H₂) se considera como una estrategia crucial para la descarbonización y la transición hacia sistemas de energía limpia. En este contexto, el dióxido de titanio (TiO₂) destaca como uno de los semiconductores más utilizados para la producción fotocatalítica de H₂. Sin embargo, su eficiencia fotocatalítica se ve significativamente limitada por las altas tasas de recombinación de portadores de carga. Para superar esta limitación, este estudio investiga la implementación de materiales basados en grafeno el cual puede contrarrestar la recombinación y mejorar el área de contacto entre las especies reactivas y los electrones fotogenerados. Empleamos dos tipos distintos de materiales de grafeno oxidado: óxido de grafeno convencional (GO) y grafeno oxidado selectivamente en los bordes (EGO), que se incorporaron al TiO₂ a través de dos rutas de síntesis (sol-gel y solvotérmica) para formar los compuestos correspondientes. Para la evaluación del rendimiento fotocatalítico se construyó un fotorreactor que proporciona las condiciones óptimas para realizar los experimentos y almacenar los gases producidos para su cuantificación. La caracterización estructural mediante espectroscopia Raman reveló que el EGO presentaba un menor desorden estructural en comparación con el GO. Además, la ruta de síntesis solvotérmica resultó más eficaz para lograr una reducción controlada del material de grafeno durante la formación del compuesto. El band-gap fue determinado mediante espectroscopía de reflectancia difusa UV-Vis (UV-Vis DRS) utilizando la función de Kubelka Munk y el análisis del diagrama de Tauc, los resultados mostraron que los materiales compuestos con GO mantuvieron el band-gap del TiO2, mientras que aquellos con EGO presentaron una ligera reducción de 3,24 eV a 3,06 eV. Los resultados de la producción de H2 revelaron que los materiales solvotérmicos presentaron una mayor actividad fotocatalítica, destacando el TiO₂/EGO 2% ST con una producción de 180,8 ± 9,1 µmol·g⁻¹·h⁻¹, seguido por TiO₂/rGO 2% ST con 101,7 ± 5,1 µmol·g⁻¹·h⁻¹, ambos superando al TiO₂ puro que produjo 95,2 ± 4,8 µmol·g⁻¹·h⁻¹.