Avaliação das propriedades superficiais e elétricas dos materiais híbridos TiO2@zeolite

Dec 15, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 3650 (2023) Citar este artigo

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A degradação de poluentes em meio aquoso é de grande interesse devido ao impacto no meio ambiente e na saúde humana, portanto, o projeto e o estudo das propriedades físico-químicas de fotocatalisadores para remediação de água são de grande importância. Dentre as propriedades do fotocatalisador, aquelas relacionadas à superfície e ao mecanismo elétrico são cruciais para o desempenho do fotocatalisador. Aqui relatamos as características químicas e morfológicas do fotocatalisador TiO @zeólito por espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) e microscopia eletrônica de varredura (MEV), respectivamente, e um mecanismo de condução elétrica coerente foi proposto com base em dados obtidos de espectroscopia de impedância a laser assistida (ALIS ), em que a zeólita foi sintetizada a partir de cinzas volantes de carvão recicladas. Os resultados obtidos por MEV e XPS verificaram a presença de partículas esféricas de anatase de TiO2 com presença do estado Ti3+. Os resultados do ALIS mostraram que a impedância de todo o sistema aumenta quando a quantidade de TiO2 aumenta e as amostras com menor desempenho capacitivo permitiram uma maior transferência de cargas entre a interface sólido-líquido. Todos os resultados mostraram que o maior desempenho fotocatalítico do crescimento do TiO2 em relação à hidrossodalita com 8,7% em peso e 25% em peso de TiO2 pode ser explicado em termos da morfologia do TiO2 e das interações entre substrato-TiO2 principalmente.

Dentre os corantes, os azocompostos são amplamente utilizados nas indústrias alimentícia e têxtil, uma quantidade considerável dos efluentes dessas indústrias são lançados no meio ambiente o que representa um perigo para o homem e a vida aquática1,2. Devido à elevada estabilidade química dos corantes, os avançados processos de oxidação utilizando fotocatálise heterogénea permitem a purificação desta classe de águas residuais3. Dentre os fotocatalisadores, o TiO2 é um dos mais utilizados na fotodegradação de poluentes devido às suas propriedades como alta eficiência de oxidação, inércia química e biológica, alta fotoestabilidade, facilidade de produção e uso em comparação com outros, custo relativamente baixo e ecologicamente correto4,5; assim, o TiO2 tem sido utilizado e ainda é estudado como material fundamental para melhorar os processos fotocatalisadores6,7,8,9,10,11,12,13. Para melhorar o desempenho do TiO2, ele é cultivado e disperso em um substrato adequado, criando um material híbrido que utiliza as propriedades do TiO2 e do substrato. Um dos substratos utilizados para imobilizar o TiO2 é a zeólita, que é um aluminossilicato hidratado constituído por unidades tetraédricas de TO4 (T = Si, Al) ligadas através de um átomo de oxigênio; geram uma estrutura tridimensional com cavidades internas e poros de dimensões moleculares interligados por canais. Devido à diferença no estado de oxidação dos íons Al (+3) e Si (+4), surge uma carga negativa, que é neutralizada pelos cátions trocáveis ​​(Na+, K+, Ca2+, Mg2+) e pelas moléculas de água adsorvidas que são colocados nos canais ou gaiolas da estrutura14,15. As zeólitas são de origem natural ou sintética e são utilizadas em inúmeras aplicações como agricultura16, saúde17, hidrocarbonetos18 e tratamento de poluição19. As zeólitas sintéticas podem ser sintetizadas a partir de resíduos como restos de vidro e alumínio20, cinzas volantes de carvão (CFA)21, resíduos de lítio22 e casca de arroz23, entre outros, pelo método hidrotérmico, principalmente. A capacidade do fotocatalisador de degradar poluentes por materiais TiO2@zeólitos se deve à propriedade do par elétron-buraco, promovido pela adsorção de luz pelo TiO2, de produzir radicais livres em meio aquoso, radicais capazes de oxidar compostos orgânicos como corantes azo4, 5. A eficiência da fotocatálise do TiO2 depende do número de radicais livres produzidos, que é influenciado pela capacidade de adsorção e pela recombinação do elétron-buraco, principalmente. A dispersão do TiO2 em uma zeólita busca solucionar eventuais dificuldades do TiO2 - como a redução da taxa elétron-buraco de recombinação -, aumenta a adsorção e facilita a recuperação de uma solução líquida24. De acordo com a revisão da literatura, a produção de materiais híbridos de TiO2@zeólita tem sido relatada principalmente com zeólita comercial25,26,27,28; entretanto, a literatura relacionada ao uso de zeólitas sintetizadas a partir de cinzas volantes de carvão para a produção de TiO2@zeólita é escassa24,29, consequentemente ainda falta o entendimento do mecanismo envolvido para aplicações de fotocatálise nesses materiais.