Síntese e caracterização de heteroestruturas derivadas de espécies de tri-s-triazina com atividade fotocatalítica na região do visível

Abstract

Neste trabalho, foram desenvolvidos e caracterizados seis materiais fotocatalisadores baseados em espécies de tri-s-triazina, utilizando como precursores nitreto de carbono grafítico (g-C3N4), 2,5,8-triamino-tri-s-triazina (melem), trianidrido do ácido melítico (MTA) e nanopartículas de grafeno em diferentes composições e proporções mássicas. Um fotocatalisador foi preparado utilizando g-C3N4 e grafeno, enquanto os demais foram obtidos através da condensação térmica entre melem e MTA, a fim de se obter heteroestruturas com camadas de g-C3N4 e de unidades de triimidas melíticas (MTI) ligadas a espécies de tri-s-triazina. Dois materiais foram desenvolvidos utilizando apenas melem e MTA. Nos outros três, 1% de grafeno (em massa) foi adicionado ao melem antes da condensação térmica. A caracterização dos materiais foi realizada utilizando as seguintes técnicas: análise elementar CHN, espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS), difração de raios X (XRD), espectroscopia de infravermelho (FT-IR), microscopia eletrônica de varredura (SEM), cálculo da área superficial específica, espectroscopia de reflectância difusa (DRS) e análise termogravimétrica (TGA). A atividade fotocatalítica foi determinada em estudos de descolorização de azul de metileno (MB) em solução aquosa. Realizaram-se testes no escuro para avaliar a adsorção de MB nos fotocatalisadores, e sob radiação nas regiões do violeta (? = 395 nm) e do azul (? = 450 nm). Adicionalmente, as espécies reativas geradas pelos semicondutores sob radiação de luz branca foram avaliadas empregando a técnica de espectroscopia de ressonância paramagnética (EPR). De acordo com os resultados de caracterização, as heteroestruturas produzidas com melem e MTA são formadas por camadas de MTI, de g-C3N4 e de outras espécies de tri-striazina, como melem e seus oligômeros. Todos os fotocatalisadores apresentaram a maior remoção de MB sob irradiação na região do violeta, confirmando que os materiais são ativos sob radiação visível. As heteroestruturas com as maiores porcentagens de MTI exibiram alta capacidade de adsorção de MB e as maiores remoções em todos os ensaios. O material com grafeno e a maior porcentagem de MTI foi o que apresentou os melhores resultados nos testes com radiação nas regiões do azul e do violeta, removendo 97,10% e 99,07% do MB total, respectivamente. Por outro lado, o material sem grafeno com a menor quantidade de MTI foi o que obteve a maior eficiência de degradação fotocatalítica sob luz visível. Finalmente, a partir dos resultados da análise de EPR, verificou-se a formação de radicais hidroxila (.OH) quando os materiais são irradiados por luz branca, indicando que a fotodegradação de MB pode ter ocorrido por meio dessas espécies.

Abstract: In this work, six photocatalyst materials based on tri-s-triazine species were developed and characterized, using different compositions and mass ratios of graphitic carbon nitride (g-C3N4), 2,5,8-triamino-tri-s-triazine (melem), melitic trianhydride (MTA) and graphene nanopowder as precursors. One photocatalyst was prepared using gC3N4 and graphene, while the others were obtained by thermal condensation between melem and MTA, in order to obtain heterostructures with layers of g-C3N4 and melitic triimide units (MTI) bonded to tri-s-triazine species. Two materials were developed using only melem and MTA. In the three others, 1% wt graphene was added to melem before thermal condensation. The materials characterization was performed by the following techniques: elemental analysis CHN, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), scanning electron microscopy (SEM), specific area measurement, diffuse reflectance spectroscopy (DRS) and thermogravimetric analysis (TGA). The photocatalytic activity was determined by decolorization of methylene blue (MB) in aqueous solution. Tests were carried out in the dark to evaluate the MB adsorption by the photocatalysts and under violet (? = 395 nm) and blue (? = 450 nm) radiation regions. Additionally, the reactive species generated by the semiconductors under white light radiation were evaluated using electron paramagnetic resonance (EPR). According to characterization results, the heterostructures produced with melem and MTA are formed by layers of MTI, g-C3N4 and other tri-s-triazine species, such as melem and its oligomers. All photocatalysts showed the higher MB removal rate under violet region irradiation, confirming materials activity by visible radiation. The heterostructures with the highest ratio of MTI exhibited high MB adsorption capacity and the highest removal rates in all tests. The heterostructure synthesized with graphene and the highest ratio of MTI presented the best removal results, with 97.10% and 99.07% of total MB in blue and violet regions, respectively. On the other hand, the material with no graphene and the lowest amount of MTI showed the higher visible-light photocatalytic degradation efficiency. Finally, from EPR results, hydroxyl radicals (.OH) formation was verified when the materials are irradiated by white light, indicating that MB photodegradation may have occurred by these species.