Síntese e caracterização de fotocatalisadores mistos contendo TiO2 e cobre e avaliação da atividade fotocatalítica frente e a um substrato modelo (fenol)

Abstract

Resumo: O dióxido de titânio tem sido amplamente utilizado como fotocatalisador em estudos de degradação de poluentes devido à alta eficiência em processos de fotodecomposição. No entanto, a aplicação é limitada à região UV. Nesse sentido, é necessário a modificação do TiO2 com o objetivo de ativar os processos fotocatalíticos mediante luz visível para que sejam economicamente viáveis de maneira a favorecer aplicações em maior escala. Assim, o presente trabalho trata da síntese de fotocatalisadores mistos contendo dióxido de titânio TiO2 e diversas formas de cobre (Cu, CuO, Cu2O). Na primeira parte a síntese dos fotocatalisadores mistos contendo dióxido de titânio e cobre metálico (Cu/TiO2) seguiu duas rotas de síntese: a primeira foi o método de impregnação úmida e a segunda o método de foto deposição in situ. Na segunda parte a síntese dos fotocatalisadores mistos contendo dióxido de titânio e óxido de cobre (II) (CuO-TiO2), também seguiu duas rotas de síntese: a primeira foi pelo método sol-gel e precipitação da ureia, e a segunda metodologia foi por impregnação úmida. A terceira parte da síntese dos fotocatalisadores mistos contendo óxido de cobre (I) (Cu2O-TiO2) seguiu a rota de síntese precipitação assistida por ultrassom. Após sintetizados os materiais, foram caracterizados mediante diversas técnicas instrumentais como MEV-EDS, MET-SAED, DRX, Raman, FTIR, UV-Vis e DRS. As técnicas MEV-MET-EDS permitiram análises morfológicas e elementares, confirmando a presença de cobre e a sua homogênea distribuição na superfície do TiO2. Na mesma linha, as caracterizações por DRX e Raman permitiram inferir a cristalinidade dos materiais, um fator importante na determinação da taxa de separação/recombinação e da mobilidade de carga nos fotocatalisadores. Os materiais foram avaliados quanto à degradação de um substrato modelo (fenol), assim como o seu uso em processos de fotocatálise mediados por diversas fontes de radiação artificial (UV, UV-Vis e Visível). Na avaliação da degradação do fenol mediante radiação UV-Vis os materiais mistos não apresentaram melhora quando comparado com o material de referência AEROXIDE TiO2 P 25. Também, quando avaliados com radiação visível LED, os materiais se apresentaram mais eficientes na degradação quando comparado com o mesmo material de referência. No processo fotocatalítico de cada sistema foi proposto um provável mecanismo de transferência dos portadores de carga, destacando-se a fotocatálise plasmônica assim como também as heterojunções tipo II. Finalmente os resultados sugerem um potencial uso dos materiais contendo TiO2 e Cu2O em processos fotocatalíticos mediado com luz visível orientados à degradação de substrato modelo fenol em solução aquosa.

Abstract: Titanium dioxide has been widely used as a photocatalyst in pollutant degradation studies due to its high efficiency in photodecomposition processes. However, the application is limited to the UV region. In this sense, it is necessary to modify the TiO2 to activate the photocatalytic processes through visible light and become economically viable on an industrial scale. Therefore, the present work involves the synthesis of mixed photocatalysts having titanium dioxide TiO2 and various forms of copper (Cu, CuO, Cu2O). In the first part, the synthesis of mixed photocatalysts holding titanium dioxide and metallic copper (Cu/TiO2) followed two synthesis routes: the first was the wet impregnation method and the second in-situ photo deposition method. In the second part, the synthesis of mixed photocatalysts containing titanium dioxide and copper (II) oxide (CuO-TiO2), also followed two synthesis routes: the first was by the sol-gel method and urea precipitation, and the second method was by wet impregnation. The third part of the synthesis of mixed photocatalysts having copper(I) oxide (Cu2O-TiO2) followed the ultrasound-assisted precipitation synthesis route. After synthesized, the materials were characterized using several instrumental techniques such as SEM-EDS, MET-SAED, XRD, Raman, FTIR, UV-Vis and DRS. The SEM-TEM- EDS techniques allowed morphological and elemental analyses, confirming the presence of copper and its homogeneous distribution on the TiO2 surface. Along the same lines, characterizations by XRD and Raman allowed inferring the crystallinity of the materials, an important factor in finding the rate of separation/recombination and charge mobility in photocatalysts. These materials were evaluated for the degradation of a model substrate (phenol) as well as their use in photocatalysis processes mediated by different sources of artificial radiation (UV, UV-Vis and Visible light). In the evaluation of the degradation of phenol mediated by UV-Vis radiation, the mixed materials did not phenol show improvement when compared to the reference material AEROXIDE TiO2 P 25. On the other hand, when evaluated with visible radiation LED, the materials were more efficient in the degradation when compared with the same reference material. In the photocatalytic process of each system, a probable transfer mechanism of charge carriers was proposed, and the most efficient were plasmonic photocatalysis as well as type II heterojunctions. Finally, the results suggest a potential use of materials containing TiO2 and Cu2O in visible light-mediated photocatalytic processes aimed at the degradation of a phenol model substrate in aqueous solution.