Degradação fotoeletrocatalítica de poluente orgânico simultânea à eletrossíntese de amônia via redução de nitrogênio

Abstract

A poluição da água e a crise energética são dois dos mairores desafios globais enfrentados atualmente. A fotoeletrocatálise (PEC, do inglês Photoelectrocatalysis) demostrou ser uma técnica com grande potencial, tanto no tratamento de águas residuais, através de processo de oxidação, quanto na geração de compostos energéticos, por meio de reações de redução. Recentemente o estudo de ambas as reações simultaneamente têm atraído atenção devido a possibilidade de mitigar esses problemas de forma integrada. Neste trabalho, foi investigado um sistema híbrido fotoeletrocatalítico/eletrocatalítico, composto por um fotoânodo de nanotubos de TiO2 autodopado (NtTiO2-AD) e um cátodo de NtTiO2/MoS2. O objetivo foi promover simultaneamente a oxidação do herbicida atrazina (ATZ) no compartimento anódico e a redução de N2 a NH3 no lado catódico, utilizando a PEC. Os nanotubos de TiO2 foram preparados por anodização eletroquímica e, em seguida, autodopados por polarização catódica, o que levou a uma melhoria significativa de suas propriedades fotoeletrocatalíticas. O cátodo foi sintetizado depositando MoS2 sobre NtTiO2 puros por voltametria cíclica e cronoamperometria, sendo esta última a técnica mais eficiente para RRN e, portanto, escolhida para compor o reator híbrido. Sob condições otimizadas, o reator híbrido alcançou uma fotoeletroxidação de ATZ de aproximadamente 94 % sobre o fotoânodo de NtTiO2-AD após 2 h de reação. Concomitantemente, os elétrons e prótons provenientes da oxidação da ATZ foram direcionados ao lado catódico saturado com N2 e promoveram a formação de 0,31 µmol h-1 cm-2 de NH3 sobre o cátodo de NtTiO2/MoS2. O efeito do potencial aplicado ao fotoânodo e da concentração de ATZ foi investigado e revelou que a eletrossíntese de NH3 é mais eficiente quando a concentração do contaminante é reduzida, indicando que o desempenho das reações pode ser significativamente melhorado em condições adequadas. Esses resultados mostram a possibilidade de, simultaneamente, degradar um composto orgânico residual e reduzir N2 para a geração de NH3, aplicando a PEC em um sistema integrado com um fotoânodo e um cátodo separados por uma membrana trocadora de prótons.

Water pollution and the energy crisis are two of the greatest global challenges currently faced. Photoelectrocatalysis (PEC) has demonstrated significant potential, both in wastewater treatment through oxidation processes and in the generation of energy compounds via reduction reactions. Recently, the study of both reactions simultaneously has attracted attention due to the possibility of mitigating these problems in an integrated manner. In this work, a hybrid photoelectrocatalytic/electrocatalytic system was investigated, consisting of a self doped TiO2 nanotube photoanode (NtTiO2-AD) and a NtTiO2/MoS2 cathode. The objective was to simultaneously promote the oxidation of the herbicide atrazine (ATZ) in the anodic compartment and the reduction of N2 to NH3 in the cathodic side using PEC. The TiO2 nanotubes were prepared by electrochemical anodization and subsequently self-doped by cathodic polarization, which led to a significant improvement in their photoelectrocatalytic properties. The cathode was synthesized by depositing MoS2 onto pure NtTiO2 using cyclic voltammetry and chronoamperometry, with the latter being the most efficient technique for RRN and therefore chosen to compose the hybrid reactor. Under optimized conditions, the hybrid reactor achieved approximately 94% photoelectrooxidation of ATZ on the NtTiO2-AD photoanode after 2 hours of reaction. Simultaneously, the electrons and protons from the oxidation of ATZ were directed to the N2-saturated cathodic side, promoting the formation of 0.31 µmol h⁻¹ cm⁻² of NH3 on the NtTiO2/MoS2 cathode. The effect of the applied potential to the photoanode and the concentration of ATZ was investigated, revealing that NH3 electrosynthesis is more efficient when the contaminant concentration is reduced, indicating that the performance of the reactions can be significantly improved under suitable conditions. These results demonstrate the possibility of simultaneously degrading a residual organic compound and reducing N2 to generate NH3 by applying PEC in an integrated system with a photoanode and a cathode separated by a proton exchange membrane.