Photocatalytic production of hydrogen: an innovative use for biomass derivatives

Abstract

Hidrogênio é considerado o vetor energético do futuro por ser não poluente e muito flexível quanto à conversão a diferentes formas de energia, como calor por combustão ou energia elétrica via células a combustível. Tradicionalmente, o hidrogênio é produzido a partir da reforma a vapor de gás natural de origem fóssil, o que torna a implantação efetiva da economia de hidrogênio insustentável do ponto de vista ambiental. Para contornar esse problema, diversas rotas de produção de hidrogênio a partir de fontes renováveis estão sendo propostas. Pesquisas recentes apontam a reforma foto-induzida de biomassa como uma possibilidade promissora, uma vez que utiliza radiação solar, fonte inesgotável de energia e matérias primas renováveis como derivados de biomassa e água. Os trabalhos nesse campo são ainda muito incipientes, porém bastante animadores. O processo consiste na combinação da decomposição fotocatalítica da água com a reação de fotodecomposição de substâncias orgânicas mediadas por um semicondutor irradiado. Neste processo, a reação de oxidação da água é suprimida pela presença de um doador de elétrons de sacrifício (biomassa), assim como a formação de radical superóxido quando a reação é realizada em condições anaeróbicas. Os resultados de reforma foto-induzida apontam para rendimentos semelhantes ou superiores a outros processos de produção de hidrogênio a partir de biomassa como hidrólise enzimática e reforma catalítica em fase aquosa. No entanto, os trabalhos desenvolvidos até o momento estão focados no TiO 2 , o que limita a porção absorvida da radiação solar à luz UV. Deste modo, o grande desafio atual nesta área é o desenvolvimento de semicondutores de banda estreita capazes de conduzir a reação de reforma foto-induzida de biomassa com luz visível, que consiste de cerca de 40% da radiação solar.Hydrogen is considered the energy carrier of the future because of its clean and very flexible conversion into different forms of energy, e.g., into heat via combustion or electricity via fuel cells. Traditionally, hydrogen is produced from natural gas steam reforming from fossil fuels making the effective implementation of hydrogen economically and environmentally unsustainable. To overcome this problem, several routes are being proposed for hydrogen production from renewable sources. Recent research points to the photoinduced reforming of biomass as a promising possibility, since it uses solar radiation, an inexhaustible source of energy, and raw materials derived from renewable sources such as biomass and water. Studies in this field are still incipient but quite encouraging. The process combines photocatalytic water splitting with the photodecomposition of organic compounds mediated by an irradiated semiconductor. In this process, the water oxidation reaction is suppressed by a sacrificial electron donor (biomass), as well as the formation of superoxide radicals when the reaction is carried out under anaerobic conditions. The hydrogen production rates from photoinduced reforming are similar or superior to othe...

Superfícies fotocatalíticas de titânia em substratos cerâmicos: Parte I: Síntese, estrutura e fotoatividade

“…The energy scale is indicated in electron volts using the normal hydrogen electrode (NHE). Fonte: [60].] Figura 14: Relação de dopantes que promovem a transformação da fase A→R.…”

Potential Applications for Solar Photocatalysis: From Environmental Remediation to Energy Conversion

“…Thermodynamically, water splitting into H 2 and O 2 can be seen as an unfavorable reaction (G = +238 kJ/mol) (Jing et al, 2010;Melo & Silva, 2011). However, the efficiency of water splitting is determined by the band gap, band structure of the semiconductor and the electron transfer process (Linsebigler et al, 1995;Hagfeldt & Grätzel, 1995;Melo & Silva, 2011).…”

“…1000 nm), corresponding to the water splitting potential (Jing et al, 2010;Melo & Silva, 2011). Moreover CB and VB levels should satisfy the energy requirements set by the reduction and oxidation potentials for H 2 O, respectively: the bottom of the conduction band must be located at a more negative potential than the H + /H 2 reduction potential (Eo = 0 V vs. NHE at pH 0), while the top of the valence band must be more positively positioned than the H 2 O/O 2 oxidation potential (Eo = 1.23 V vs. NHE) (Melo & Silva, 2011). Band engineering is thus necessary for the design of new semiconductors with the combined properties (Jing et al, 2010).…”

“…Besides the application in order to minimize the environmental impacts of human action, via photocatalytic processes, semiconductor oxides have also been employed in producing chemical raw materials through specific chemical reactions (Kanai et al, 2001;Murata et al, 2003;Amano et al, 2006;Denmark & Venkatraman, 2006;Hakki et al,2009;Swaminathan & Selvam, 2011;Swaminathan & Krishnakumar, 2011), in the conversion of solar energy into electricity (Prashant, 2007;Patrocínio et al, 2010;Huang et al, 2011;Zhou et al, 2011) and production of hydrogen for subsequent generation of energy (Jing et al, 2010;Kim & Choi, 2010;Melo & Silva, 2011).…”

Pd/TiO2-WO3 photocatalysts for hydrogen generation from water-methanol mixtures

“…The electrons "jump" to the conduction band where it can react subconsequently with molecules adsorbed on the catalyst surface. This last reaction should happen in less than (10-100) nano-seconds [12,13]. On the contrary, the recombination takes place, releasing energy in light or heat form [14].…”