Caracterização e avaliação da atividade fotocatalítica de catalisadores baseados no TiO2, sintetizados mediante hidrólise em uma mistura de solventes

This study involved the synthesis of photocatalysts based on titanium dioxide (TiO2). The photocatalysts were synthesized by the sol-gel method using three different proportions of acetone (25%, 50% and 75% v/v) in water/acetone mixtures, in order to control the hydrolysis of the precursor of titanium (titanium tetraisopropoxide). Aiming to investigate the structural, morphological and electronic changes provoked by the use of the solvent mixtures, different methodologies were used to characterize the oxides, such as X-ray diffraction (XRD), RAMAN spectroscopy, UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy, and measurements of specific surface area (BET). XRD combined to RAMAN analyses revealed that the products are two-phase highly crystalline oxides involving anatase as main phase and brookite. Besides, the refined XRD using the method of Rietveld demonstrated that the presence of acetone during the synthesis influenced in the composition of the crystalline phases, increasing the proportion of the brookite phase between 13 and 22%. The band gap energy of these oxides practically did not suffer changes as function of the synthesis conditions. As shown by the isotherm, these photocatalysts are mesoporous materials with mean diameter of pores of 7 nm and approximately 20% of porosity. The surface area of the oxides prepared by hydrolysis in presence of acetone was 12% higher compared to the bare oxide. After characterized, these oxides had their photocatalytic activities evaluated by photodegradation of the azo dyes Ponceau 4R (P4R), Tartrazine (TTZ) and Reactive Red 120 (RR120), and also by the ability to mediate the photocatalytic production of hydrogen. Using the most efficient photocatalyst, the mineralization achieved for the dyes P4R, RR120 and TTZ was of respectively 83%, 79% and 56% in 120 minutes of reaction, while the discoloration of P4R e RR120 reached 100% and 94% for TTZ. In addition, the same photocatalyst in the presence of 0.5% w/w of Platinum and suspended in a 5:1 v/v water/methanol mixture, produced 56 mmol of gaseous hydrogen in five hours of experiment, corresponding to a specific rate of hydrogen production of 139.5 mmol h-1 g-1.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais

Dissertação (Mestrado)

O presente estudo envolveu a síntese de fotocatalisadores baseados no dióxido de titânio (TiO2), utilizando acetona para controlar a hidrólise do precursor de titânio empregado (tetraisopropóxido de titânio). Os fotocatalisadores foram sintetizados pelo método sol-gel, utilizando diferentes misturas de água/acetona (25%, 50%, 75% v/v de acetona) na hidrólise do precursor de titânio. Com a finalidade de investigar as mudanças estruturais, morfológicas e eletrônicas provocadas pelo uso da mistura água/acetona, foram empregadas diferentes técnicas de caracterização, incluindo difração de raios-X(DRX), espectroscopia RAMAN, espectroscopia por reflectância difusa no UV-Vis e medidas de área superficial específica (BET). As análises de raios-X junto à espectroscopia RAMAN revelaram óxidos altamente cristalinos com a coexistência das fases anatase, como fase principal, e broquita como fase secundária. Além disso, os difratogramas refinados pelo método Rietveld demonstraram que a presença de acetona durante a síntese interferiu na composição das fases cristalinas, aumentando a proporção da fase broquita entre 13 e 22%. A energia de band gap dos óxidos sintetizados praticamente não sofreu alteração em função das condições de síntese. Conforme apresentado pelas isotermas, os fotocatalisadores sintetizados são materiais mesoporosos com diâmetro médio de poros de 7 nm e aproximadamente 20% de porosidade. A área superficial dos óxidos provenientes da hidrólise feita com acetona aumentou em cerca de 12% em relação ao óxido padrão. Depois de caracterizados, o potencial fotocatalítico dos óxidos foi avaliado através da fotodegradação dos azocorantes Ponceau 4R (P4R), Tartrazina (TTZ) e Reactive Red 120 (RR120), e também através da produção fotocatalítica de hidrogênio. Com o fotocatalisador mais eficiente alcançou-se respectivamente 83%, 79% e 56% de mineralização dos corantes P4R, RR120 e TTZ em 120 minutos de reação. Já a descoloração foi de 100% para o P4R e RR120 e de 94% para a TTZ. O mesmo óxido carregado com 0,5% de Platina (Pt) e suspenso a uma mistura água/metanol 5:1 v/v, produziu aproximadamente 56 mmol de hidrogênio gasoso em cinco horas de experimento, correspondendo a uma taxa específica de produção de hidrogênio de 139,5 mmol h-1 g-1.