Estudo abre novas dimensões na produção de fotocatalisadores de nitreto de carbono mais eficientes para a transição energética
Pesquisadores da UFSCar, em colaboração com grupos de pesquisa de instituições da Alemanha, Suíça, Rússia, Estados Unidos e Suécia, detalham um novo método para aprimorar o desempenho dos nitretos de carbono, semicondutores à base de carbono e nitrogênio, em processos de fotocatálise, nos quais a luz é usada para acelerar reações químicas pela ação de um catalisador. O estudo, publicado na Advanced Functional Materials, detalha que, apesar desses materiais serem promissores no avanço de tecnologias mais limpas, sua aplicação industrial ainda apresenta limitações devido a algumas de suas propriedades, como alta recombinação de carga, baixa transferência de elétrons e absorção insuficiente de luz, o que faz com que parte da energia gerada não seja aproveitada na reação. Para superar esses desafios, os autores investigaram como modificações controladas da estrutura cristalina dos nitretos de carbono poderiam otimizar sua eficiência como fotocatalisadores.
O interesse pelos nitretos de carbono decorre do fato de serem materiais que se destacam como uma opção sustentável para a geração de hidrogênio (H₂) a partir da água, considerado um processo chave para a transição energética e redução da dependência de recursos fósseis. Além disso, sua síntese é simplificada e de baixo custo, partindo de precursores simples, uma vez que são materiais compostos apenas de elementos abundantes (carbono e nitrogênio). Entre as classe de nitretos de carbono, os poli(heptazina imidas) (PHIs) estão entre os materiais com maior grau de cristalinidade. Isso significa que a disposição dos seus átomos de carbono e nitrogênio estão bem organizadas e padronizadas, formando uma rede cristalina, o que permite ajustes mais precisos de sua estrutura e, assim, de suas propriedades. Por isso, os pesquisadores usaram os PHIs como um sistema modelo para investigar como o desempenho desses materiais na fotocatálise pode ser modulado.
Para isso, foram produzidos e caracterizados diferentes variantes dos PHIs, incorporando em sua estrutura cátions como sódio (Na+), potássio (K+), magnésio (Mg2+) e próton (H+). Como resultado, a equipe identificou que o desempenho no teste fotocatalítico aumentou na ordem: H-PHI, K-PHI, Na-PHI e Mg-PHI, levando o grupo a concentrar a investigação nos dois menos explorados até então, Na-PHI e Mg-PHI. A presença de íons de Na+ e a ocorrência de pequenas alterações nas camadas que compõem a estrutura do PHI, chamados de defeitos rotacionais, resultaram em uma otimização na transferência de carga e, consequentemente, maior atividade fotocatalítica. Porém, a eficiência foi ainda maior com o Mg2+, achado atribuído pelos autores à maior valência desses íons em combinação com as distorções rotacionais causadas por ele na estrutura do PHI. Nesse caso, a maior valência do Mg2+ parece intensificar a densidade de carga e facilitar ainda mais a movimentação de elétrons entre as camadas do material.
Para o Prof. Dr. Ivo Freitas Teixeira, coautor do estudo, docente do Departamento de Química da UFSCar e integrante do Centro de Excelência para Pesquisa em Química Sustentável (CERSusChem), “Este trabalho representa um estudo fundamental que contribui de forma importante para compreender o papel promotor do Mg na evolução de H₂ em materiais à base de nitretos de carbono. A elucidação desse mecanismo fornece uma base científica sólida para o desenho racional de fotocatalisadores mais eficientes. Além disso, pelo fato de o cátion Mg²⁺ ser abundante e de baixo custo, a estratégia de dopagem apresentada pode ser expandida para outros sistemas catalíticos, o que tem potencial de impactar significativamente o desenvolvimento de tecnologias acessíveis e sustentáveis voltadas à transição energética”. A publicação, “Enhancing the Photocatalytic Performance of Carbon Nitrides Through Controlled Local Structure Modification”, pode ser lida na íntegra em: https://doi.org/10.1002/adfm.202511389.
Texto por Milena Rossales Castro.
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Research opens new dimensions in the development of more efficient carbon nitride photocatalysts for the energy transition
Researchers from UFSCar, in collaboration with research groups from institutions in Germany, Switzerland, Russia, United States and Sweden, have detailed a new method to improve the performance of carbon nitrides, semiconductors composed of carbon and nitrogen used in photocatalysis, in which process light is used to accelerate chemical reactions through the action of a catalyst. The study, published in Advanced Functional Materials, explains that although these materials are promising for the advancement of cleaner technologies, their industrial application still has limitations due to some of their properties, including high charge recombination, low electron transfer and insufficient light absorption, which cause part of the generated energy not to be used in the reaction. To overcome these challenges, the authors investigated how controlled modifications of the crystalline structure of carbon nitrides could optimize their efficiency as photocatalysts.
The interest in carbon nitrides stems from the fact that they stand out as a sustainable option for hydrogen (H₂) generation from water, considered a key process for the energy transition and the reduction of dependence on fossil resources. In addition, their synthesis is simplified and low-cost, starting from simple precursors, since they are materials composed only of abundant elements (carbon and nitrogen). Among the classes of carbon nitrides, poly(heptazine imides) (PHIs) are the materials with the highest degree of crystallinity. This means that the arrangement of their carbon and nitrogen atoms is organized and standardized, forming a crystalline network that allows for more precise adjustments of their structure and, consequently, their properties. Therefore, the researchers used PHIs as a model system to investigate how the performance of these materials in photocatalysis can be modulated.
To do this, different PHI variants were produced and characterized by incorporating cations as sodium (Na⁺), potassium (K⁺), magnesium (Mg²⁺) and proton (H⁺) into their structure. As a result, the group found that photocatalytic performance increased in the order: H-PHI, K-PHI, Na-PHI and Mg-PHI, leading to focus their investigation on the two least explored so far, Na-PHI and Mg-PHI. The presence of Na⁺ ions and the occurrence of small alterations in the layers that make up the PHI structure, called rotational defects, resulted in improved charge transfer and, consequently, higher photocatalytic activity. However, the efficiency was even greater with Mg²⁺, a finding attributed by the authors to the higher valence of these ions in combination with the rotational distortions it induces in the PHI structure. In this case, the higher valence of Mg²⁺ appears to increase charge density and further facilitate electron movement between the layers of the material.
According to Professor Ivo Freitas Teixeira, co-author of the study, faculty member at UFSCar's Department of Chemistry and member of the Center of Excellence for Research in Sustainable Chemistry (CERSusChem), “This work represents a fundamental study that significantly contributes to understanding the promoting role of Mg in H₂ evolution in materials based on carbon nitride. The elucidation of this mechanism provides a solid scientific basis for the rational design of more efficient photocatalysts. Moreover, because the Mg²⁺ cation is abundant and low-cost, the doping strategy presented can be expanded to other catalytic systems, with the potential to significantly impact the development of accessible and sustainable technologies aimed at the energy transition”. The paper, “Enhancing the Photocatalytic Performance of Carbon Nitrides Through Controlled Local Structure Modification”, can be read in full at: https://doi.org/10.1002/adfm.202511389.