Síntese, caracterização e propriedades fotocatalíticas de diferentes nanocompósitos TiO2/C

Abstract

Resumo: Este trabalho teve como objetivo desenvolver a síntese de nanopartículas de TiO2 pelo processo sol-gel com 3 tamanhos diferentes. Após estudo, três amostras foram obti-das. Estas amostras foram comparadas com as nanopartículas de TiO2-P25 comercial. Novos nanocompósitos foram formados entre as nanopartículas de TiO2 - obtidas pelo método sol-gel - e o polifurfuril álcool (PFA), através de duas rotas de síntese, ba-seadas na adição do furfuril álcool antes e após a formação das nanopartículas de TiO2. As amostras TiO2/PFA preparadas foram submetidas a pirólise numa temperatura de 900ºC, obtendo-se os nanocompósitos TiO2/C, em seguida foram caracterizadas por difratometria de raios X, espectroscopia Raman e IV-TF. Os nanocompósitos TiO2/C pro-duzidos foram avaliados através de em ensaios de adsorção e degradação fotocatalítica de corantes orgânicos reativos. Os melhores resultados obtidos foram para os nanocompósitos produzidos após a formação das nanopartículas de TiO2, em especial a amostra TiO2/C-0.2-0.4 com fase majoritária rutilo em presença de carbono desordenado, fato não encontrado na literatura para esta rota de síntese. Partindo-se desta amostra foi realizado estudo mais aprofun-dado, visando melhor compreensão a respeito da influência do tratamento térmico nas composições e propriedades dos catalisadores. Para tanto amostras TiO2/PFA-0.2-0.4 foram preparadas e pirolisadas em temperaturas de 400°C, 500°C, 600°C, 700°C e 900°C, visando a síntese de diferentes nanocompósitos TiO2/C-0.2-0.4. Comparativa-mente o mesmo procedimento foi realizado para sua amostra de origem TiO2-0.2 sem carbono. Como são diversas as variáveis de síntese, foi realizado um planejamento fatorial fracionário 24-1 para os nanocompósitos TiO2/C buscando avaliar simultaneamente o efei-to de quatro variáveis importantes : temperatura de síntese, proporção de catalisador, proporção Ti:FA e temperatura de pirólise. Comparativamente realizou-se o planejamento fatorial 23 somente com amostras de TiO2 para confirmação de que os ótimos resultados de adsorção e degradação fotoca-talítica obtidos para as amostras sintetizadas TiO2/C não ocorreram somente em virtude da presença da fase rutilo, mas sim devido à presença de efeito sinérgico entre as estru-turas de carbono desordenado e o óxido. A partir das informações obtidas nos estudos anteriores, foi realizado um estudo da influência da quantidade de carbono presente nos nanocompósitos. Para tanto, dife-rentes amostras foram feitas com quantidades crescentes de polímero. As amostras fo-ram pirolisadas, caracterizadas e submetidas a ensaios de adsorção e fotocatálise hete-rogênea. Por fim, em função dos resultados promissores obtidos nos estudos com o reator fotoquímico de bancada com radiação artificial, e visando simplificar o sistema de trata-mento em estudo, ensaios de degradação fotocatalítica foram conduzidos na presença de radiação solar com amostras de diferentes composições estruturais. Também foi avaliado a amostra TiO2-0.2 que deu origem aos nanocompósitos estudados e também comparati-vamente o comercial TiO2-P25. Ficou comprovado que as amostras TiO2/C apresentam excelentes respostas ca-talíticas e de adsorção, sendo que amostras com alta proporção da fase rutilo apresenta-ram os melhores resultados, tanto sob radiação artificial quanto sob radiação solar.

Abstract: This work aimed to develop the controlled synthesis of TiO2 nanoparticles by sol-gel process, in 3 different sizes. After a detailed study, 3 samples were obtained and compared to commercial TiO2-P25 nanoparticles. New nanocomposites were formed from TiO2 nanoparticles - obtained as a result of sol-gel method - and poly(furfuryl) alcohol (PFA) through two routes of synthesis, based on the addition of furfuryl alcohol before and after the formation of TiO2 nanoparticles. The TiO2/PFA samples prepared were pyrolized at 900ºC, obtaining TiO2/C nano-composites, then they were characterized by X-ray diffraction, Raman and infrared spec-troscopy. The TiO2/C nanocomposites produced were evaluated with adsorption and pho-tocatalytic degradation tests of organic reactive dyes. The best results were obtained for the nanocomposites produced after the formation of TiO2 nanoparticles, in particular the TiO2/C-0.2-0.4 sample, with a rutile major phase in the presence of disordered carbon, a fact that wasn't found in the literature for this synthesis route. This sample was further studied seeking a better understanding of the heat treatment influence in the compositions and properties of the catalysts. Both TiO2/PFA-0.2-0.4 samples were prepared and pyrolyzed at 400°C, 500°C, 600°C, 700°C and 900°C, in order to synthesize distinct TiO2/C-0.2-0.4 nanocomposites. Comparatively, the same procedure was carried out for its sample of origin, TiO2-0.2 without carbon. Due to the several synthesis variables, it was performed a 24-1 fractional factorial planning for the TiO2/C nanocomposite, aiming to evaluate simultaneously the effect of four important variables: the synthesis temperature, the catalyst ratio, the ratio Ti:FA and the pyrolysis temperature. In order to compare, it was carried out the 23 factorial design only with TiO2 sam-ples to confirm that the excellent adsorption and photocatalytic degradation results ob-tained for the TiO2/C samples synthesized weren't a result of the rutile phase presence, but due to the presence of synergistic effect between the disordered carbon structures and oxide. From the information obtained in previous studies, we performed a study of the carbon amount influence present in the nanocomposite. For this purpose, different sam-ples were made with increasing amounts of polymer. Then, they were pyrolyzed, charac-terized and tested for adsorption and heterogeneous photocatalysis. Finally, based on the promising results obtained in studies with the bench photo-chemical reactor with artificial radiation, and to simplify the system of study treatment, photocatalytic degradation tests were conducted in the presence of sunlight with different Finally, based on the promising results obtained in studies with the bench photo-chemical reactor with artificial radiation, and to simplify the system of study treatment, photocatalytic degradation tests were conducted in the presence of sunlight with different structural compositions. We also assessed the TiO2-0.2 sample, that gave rise to the na-nocomposites studied, and in order to compare, the commercial TiO2-P25. It was proved that the TiO2/C samples have excellent catalytic and adsorption res-ponses. The samples with high proportion of rutile phase showed the best results, both under artificial and solar radiation.