Obtenção de placas fotocatalíticas de TiO2 a partir de estruturas biomórficas

Abstract

Nesta tese de doutorado foram desenvolvidas e caracterizadas placas finas e planas de dióxido de titânio (TiO2) a partir da infiltração de soluções precursoras de titânio em matriz orgânica (papel), seguido de hidrólise em hidróxido de amônio, como uma alternativa tridimensional para a fixação do TiO2. O grande interesse de obter placas finas deve-se à maior relação superfície/volume, com grande área superficial ativa. A ação fotocatalítica é especialmente favorecida por TiO2 na faixa nanométrica e pela fase anatase majoritária, que é a fase ativada sob radiação ultravioleta (UV-A). Além disso, as placas foram produzidas por infiltração direta, evitando a geração de subprodutos de síntese. A adição de cargas através da incorporação de íons dopantes (Ba2+ e La3+) nas soluções precursoras introduz cargas na rede cristalina, e a incorporação de íons Zr4+ pode causar tração na rede por agir como um íon substitucional de raio atômico levemente maior que o do Ti4+. Foram também avaliados os efeitos das adições dos íons Ba2+, La3+ e Zr4+ na transição de fase anatase para rutilo. Foi avaliado o efeito da matriz orgânica e das diferentes temperaturas de infiltração e calcinação no processo de transição de fase, conteúdo de fase e da incorporação de dopantes através de caracterizações por microscopia eletrônica de varredura, difratometria de raios-X e por área superficial específica. Foram ainda determinados o tamanho dos cristalitos pela equação de Scherrer e as energias do bandgap pela análise dos espectros na região do UV-Vis. Os parâmetros de rede das amostras refinadas pelo Método de Rietveld, foram determinados pelo programa JANA2000. Os radicais gerados nos ensaios de fotoatividade foram caracterizados por espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica. Já os subprodutos da descoloração do corante laranja II foram avaliados por cromatografia líquida. A matriz orgânica fornece a microestrutura para a geração de placas de TiO2, e essa microestrutura aumenta a temperatura de transição de fase anatase para rutilo. A fase anatase esteve majoritária até 800 ºC e presente acima de 1000 ºC. A eficiência fotocatalítica foi eficaz para todos os testes realizados (meio aquoso, gasoso e biológico), e melhor quando comparada ao pó comercial P25 usado como padrão.<br>

Abstract : In this PhD thesis, were developed and characterized flat thin-plates of titanium dioxide (TiO2) infiltration from the titanium precursor solution in the organic matrix (paper), followed by hydrolysis in ammonium hydroxide as a tridimensional alternative to the fixing of TiO2. The great interest to obtain thin plates is due to the higher surface/volume ratio, with large active surface area. The photocatalytic action is especially favored by TiO2 in the nanometer range and the majority anatase phase which is the active layer under ultraviolet radiation (UV-A). Furthermore, the TiO2 plates were produced by direct infiltration, avoiding the generation of synthesis products. Charge addition by the addition of dopants ions (Ba2+ and La3+) in the precursor solutions introduces loads in the crystal lattice, and addition of Zr4+ ions can cause strain on the lattice to act as an atomic radius of substitutional ion slightly larger than Ti4+ ion. Were also evaluated the addition effects of Ba2+, La3+ and Zr4+ ions on TiO2-anatase-rutile phase transition. The effect of the organic matrix and the different temperatures of infiltration and calcination on the phase transition, phase content and the addition of dopants were investigated, by Scanning Electron Microscopy characterization, X-ray diffraction and Specific Surface Area. We also determined the size of the crystallites by Scherrer equation and the bandgap energy by UV-Vis analysis. The lattice parameters of samples refined by the Rietveld method were determined by JANA2000 program. The radicals generated in photoactivity tests were characterized by Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy. Since the Orange II dye discoloration by-products were evaluated by Liquid Chromatography. The organic matrix microstructure provides for the generation of TiO2 plates, and this increases the microstructure phase transition temperature of anatase to rutile. The anatase phase was majority up to 800 ºC and this above 1000 ºC. The photocatalytic efficiency was effective in all tests (aqueous, gaseous and biological), and much better when compared to commercial powder P25 used as standard.