Marques, Fabielle C.; Stumbo, Alexandre M.; Canela, Maria C.

doi:10.21577/0100-4042.20170015

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Revisão • Quím. Nova 40 (5) • June 2017 • https://doi.org/10.21577/0100-4042.20170015 copy

STRATEGIES AND MATERIALS USED IN HETEROGENEOUS PHOTOCATALYSIS APPLIED TO HYDROGEN GENERATION THROUGH WATER PHOTOLYSIS

Authorship SCIMAGO INSTITUTIONS RANKINGS

Among the various technologies for the production of hydrogen fuel, heterogeneous photocatalysis is one of the most promising, especially with the use of semiconductors, notably TiO₂. However, the use of TiO₂ is limited by hindrances for the photolysis of water, such as wide bandgap, a less negative conduction band reduction potential as compared to that of hydrogen evolution and the high electron/hole recombination rate. Deactivation of the semiconductor can be avoided by the addition of electron-rich compounds (sacrificial reagents) which react irreversibly with the hole, leading to a higher quantum efficiency. Another strategy is the Z scheme. In this system, two different photocatalysts (or photosystems) are combined using a suitable redox mediator. Furthermore, the bandgap can be adjusted by doping with transition metal oxides, with control of metal oxide valence band using p-orbitals of an anion, or s-orbitals of p-block metal ions, or by spectral sensitization. In view of these questions, the purpose of this review article is to describe and discuss recent studies that use a variety of materials for the photocatalytic generation of hydrogen.

Keywords:
hydrogen; photocatalysis; water splitting; Z scheme

Material	Irradiação	Reagente Sacrifício	Outras Condições Experimentais	Atividade	Referência
InP/Pt	Hg alta pressão, 250 W, λ>400 nm	SO₃^2- 0,5 mol L^-1	30 mg	2 - 5 µmol h^-1	⁷⁵75 Ohmori, T.; Mametsuka, H.; Suzuki, E.; Int. J. Hydrogen Energy 2000, 25, 953.
In_0,90Ni_0,10TaO₄
/NiO_x	Xe, 300 W	-	0,5 g/250 mL H₂O	16,6 µmol h^-1	⁷⁶76 Zou, Z.; Ye, J.; Sayama, K.; Arakawa, H.; Nature 2001, 414, 625.
TiO₂/1,2%Cu	16 Lâmpadas UV, 12 W, λ_max=300 nm	CH₃OH:H₂O (1,4:1)	1,25 g em 1 L solução	~ 6300 µmol (30 min)^-1	⁷⁷77 Wu, N-L.; Lee, M-S.; Int. J. Hydrogen Energy 2004, 29, 1601.
InNiCr₂Ti₁₀O₄₂/Pt	Xe, 200 W, λ≥420 nm	50mL CH₃OH + 220mL H₂O	0,5g em 270 mL solução	~ 295 µmol (44 h)^-1	⁷⁸78 Wang, D.; Zou, Z.; Ye, J.; Chem. Phys. Lett. 2005, 411, 285.
CdS/TiO₂	Hg, 500 W, λ≥420 nm	Na₂S+Na₂SO₃	0,1 g em 100 mL solução	422,4 µmol h^-1	⁷⁹79 Jang, J. S.; Li, W.; Hyuk S.; Lee, J. S.; Chem. Phys. Lett. 2006, 425, 278.
CdS/TiO₂ (nanotubo)	Xe, 350W, λ>400 nm	Na₂S+Na₂SO₃	0,1 g em 50 mL solução	1708 µL g^-1 (6 h)^-1	⁵⁹59 Yaojun, Z.; Yanpei, W.; Zhenhua, W.; Yaru, H.; Rare Met. Mater. Eng. 2009, 38, 1514.
Au/KTiNbO₅	Halógena, 400 W, λ_máx=360 nm	Metanol:H₂O (1:5)	0,2 g em 100 mL solução	3522 µmol g^-1 h^-1	⁸⁰80 Lin, H-Y.; Chang, Y-S.; Int. J. Hydrogen Energy 2010, 35, 8463.
Ni@C/TiO₂	Xe, 300 W, λ≥420 nm	Trietanolamina 15% (v/v)	0,15g em 100 mL solução	300 µmol h^-1	⁸¹81 Zeng, P.; Zhang, X.; Zhang, X.; Chai, B.; Peng, T.; Chem. L Phys. Lett. 2011, 503, 262.
Pt/ZnIn₂S₄	Hg, 400 W λ≥420 nm	Trietanolamina	0,05 g em 100 mL solução	160 µmol (10 h)^-1	⁸²82 Li, Y.; Zhang, K.; Peng, S.; Lu, G.; Li, S.; J. Mol. Catal. A: Chem. 2012, 363– 364, 354.
Pt/Cd_1-xZn_xS/ZnO/Zn(OH)₂	Hg, 1000 W, λ≥420 nm	Glicerol	0,77 g em 1000 mL solução	449 µmol g^-1 h^-1	⁸³83 Lyubina, T. P.; Markovskaya, D. V.; Kozlova , E. A.; Parmon, V. N.; Int. J. Hydrogen Energy 2013, 38, 14172.
RuO₂/TiSi₂/grafeno	Xe, 150 W, λ≥420 nm	-	0,1g/50 mL H₂O	97,5 µmol g^-1 h^-1	⁸⁴84 Mou, Z.; Yin, S.; Zhu, M.; Du, Y.; Wang, X.; Yang, P.; Zheng, J.; Lu, C.; Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 2793.
PdS/CdS	Xe, 300 W, λ>430 nm	Na₂S+Na₂SO₃	0,2 g em 200 mL solução	890,3 µmol h^-1	⁸⁵85 Chen, Q.; Suo, C.; Zhang, S.; Wang, Y.; Int. J. Photoenergy 2013, ID 149586, doi: http://dx.doi.org/10.1155/2013/149586 http://dx.doi.org/10.1155/2013/149586...
ZnS-CuS-CdS	Xe, 150 W, λ≥420 nm	Na₂S	0,1 g em 150 mL solução	838 µmol g^-1 h^-1	⁸⁶86 Hong, E.; Kim, D.; Kim J. H.; J. Ind. Eng. Chem. 2014, 20, 3869.
Pt/Ni₂O₃-SnO₂	W, 300 W	Etanol 20% (v/v)	0,2 g em 100 mL solução	0,9 µmol g^-1 h^-1	⁸⁷87 Du, Q.; Lu, G.; Appl. Surf. Sci. 2014, 305, 235.
AuPd/TiO₂ nanofibra	Simulador solar (67005, Newport Corp.)	Ácido fórmico 2,7 mol L^-1	5 mg em 10 mL solução	88,5 µmol h^-1	⁸⁸88 Zhang, Z.; Cao, S-W.; Liao, Y.; Xue, C.; Appl. Catal., B 2015, 162, 204.
CdS/WO₃	4 lamp. Fluorescentes 15 W	Ácido fórmico 10^-3 mol L^-1	0,1 g em 50 mL solução	4,74 µmol (6 h)^-1	⁸⁹89 Villa, K.; Domenech, X.; García-Pérez, U. M.; Peral, J.; Catal Lett. 2016, 146, 100.
Mo₂S-piridina-gC₃N₄	Xe, 300 W, λ>420 nm	Trietanolamina 10% (v/v)	50 mg em 100 mL solução	25 µmol h^-1	⁹⁰90 Li, M.; Zhang, L.; Fan, X.; Wu, M.; Du, Y.; Wang, M.; Kong, Q.; Zhang, L.; Shi, J.; Appl. Catal., B 2016, 190, 36.
Pt/TiO₂ (esferas)	Hg, 400 Wλ≥420 nm	Metanol 10% (v/v)	0,5 g em 250 mL solução	1023,71 µmol g^-1 h^-1	⁹¹91 Zhu, Z.; Kao, C-T.; Tang, B-H.; Chang, W-C.; Wu, R-J.; Ceram. Int. 2016, 42, 6749.
S/TiO₂	Simulador solar 100 mW/cm² (Oriel)	Metanol 20% (v/v)	100 mg em 100 mL solução	163,9 µmol g^-1 h^-1	⁹²92 Xing, Z.; Li, Z.; Wu, X.; Wang, G.; Zhou, W.; Int. J. Hydrogen Energy 2016, 41,1535.
Filme CuO_x/TiO₂	Xe, 300 W	Metanol 10% (v/v)	100 mL	53 mmol m^-2 h^-1	⁹³93 Hu, Q.; Huang, J.; Li, G.; Chen, J.; Zhang, Z.; Deng, Z.; Jiang, Y.; Guo, W.; Cao, Y.; Appl. Surf. Sci. 2016, 369, 201.
Au/TiO₂ (nanotubo)	Hg-Xe 150 W	Metanol 12,5% (v/v)	Área fotocatalisador - 1,23 cm²	1,78 µmol cm^-2 h^-1	⁹⁴94 Feil, A. F.; Migowski, P.; Scheffer, F. R.; Pierozan, M. D.; Corsetti, R. R.; Rodrigues, M.; Pezzi, R. P.; Machado, G.; Amaral, L.; Teixeira, S. R.; Weibel, D. E.; Dupont, J.; J. Braz. Chem. Soc. 2010, 21, 1359.
Cu/ZnS	Xe, 350 W, λ≥400 nm	Na₂S (0,05-0,1 mol L^-1)	100 mL solução 0,3-0,5 g L^-1	973,1 µmol g^-1 h^-1	⁹⁵95 Lee, G-J.; Anandan, M. S.; Masten, S. J.; Wu, J. J.; Renewable Energy 2016, 89,18.
β-BiTaO₄ - corantes sensibilizadores	Xe, 500 W, λ>418 nm	Isopropanol 30% (v/v)	60 mg em 60 mL solução	~12 µmol g^-1 (7 h)^-1	⁹⁶96 Maia, D. L. S.; Pepe, I.; Ferreira da Silva, A.; Silva, L. A.; J. Photochem. Photobiol. A 2012, 243, 61.
TiO₂ - RGO (óxido de grafeno)	Xe-Hg, 300 W	Etanol 25% (v/v)	4 mg em 8 mL solução	3 mmol g^-1 (2,5 h)^-1	⁹⁷97 Nagaraju, G.; Manjunath, K.; Sarkar, S.; Gunter, E.; Teixeira, S. R.; Dupont, J.; Int. J. Hydrogen Energy 2015, 40,12209.
Au/ZnO	Xe-Hg, 300 W	Etanol 25% (v/v)	7 mg em 8 mL solução	427 µmol g^-1 h^-1	⁹⁸98 Sampaio, M. J.; Oliveira, J. W. L.; Sombrio, C. I. L.; Baptista, D. L.; Teixeira, S. R.; Carabineiro, S. A. C.; Silva, C. G.; Faria, J. L.; Appl. Catal., A 2016, 518, 198.
CdS/TiO₂ (nanotubo)	Fonte não informada, λ>420	S^-2+SO₃^-2 0,1 mol L^-1	-	0,3 µmol cm^-2 h^-1	⁹⁹99 González-Moya, J. R.; Garcia-Basabe, Y.; Rocco, M. L. M.; Pereira, M. B.; Princival, J. L.; Almeida, L. C.; Araújo, C. M.; David, D. G. F.; Silva, A. F.; Machado, G.; Nanotechnology 2016, 27, 285401.
Au/TiO₂ (nanotubo)	Xe-Hg, 300 W	Formaldeído 1% (m/m)	-	0,0033 µmol h^-1(λ≥400 nm) 0,0029 µmol h^-1(λ≥450 nm)	¹⁰⁰100 Fornari, A. M. D.; Araujo, M. B.; Duarte, C. B.; Machado, G.; Teixeira, S. R.; Weibel, D. E.; J. Hydrogen Energy 2016, 41, 11599.
Ag/TiO₂	Hg, 250 W	Metanol 20% (v/v)	0,2 g em 200 mL solução	180 µmol (4 h)^-1	¹⁰¹101 Ortiz, A. L.; Zaragoza, M. M.; Gutíerrez, J. S.; Paula, M. M. S, Collins-Martínez, V.; Int. J. Hydrogen Energy 2015, 40, 17308.
TiO₂ Mesoporoso	Hg-Xe, 240 W	Etanol 33% (v/v)	8 mg em 6 mL solução	1304 µmol (2,5 h)^-1	¹⁰²102 Krishnappa, M.; Souza, V. S.; Ganganagappa, N.; Scholten, J. D.; Teixeira, S. R.; Dupont, J.; Thippeswamy R.; Chem. Eur. J. 2015, 21, 17624.
Co(OH)₂/α-Fe₂O₃	Hg-Xe, 240 W	Etanol 23,8% (v/v)	4 mg em 8 mL solução	546 µmol g^-1 h^-1	¹⁰³103 Wender, H.; Gonçalves, R. V.; Dias, C. S. B.; Zapata, M. J. M.; Zagonel, L. F.; Mendonça, E. C.; Teixeira, S. R.; Garcia F.; Nanoscale 2013, 5, 9310.

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