Síntese e caracterização de fotocatalisadores baseados em nanoestruturas de óxido de nióbio para degradação do corante alaranjado de metila

Abstract

As indústrias têxteis utilizam grandes quantidades de água e produtos químicos em seus processos de produção. Os efluentes líquidos desses produtos geralmente contêm corantes que são difíceis de degradar devido à complexidade de sua estrutura molecular e de origem sintética. Além disso, a maioria desses corantes apresentam alta toxicidade, sendo os corantes diazo e básicos os mais tóxicos. Nesse contexto, a fotocatálise heterogênea, um processo oxidativo avançado, apresenta potencial promissor para degradar esses corantes por meio da exposição à luz. Materiais nanoestruturados com propriedades de semicondutores são potenciais fotocatalisadores. Entre esses materiais, o óxido de nióbio apresenta propriedades que o qualificam como fotocatalisador na manipulação de corantes, preenchendo assim uma lacuna na busca por soluções ambientais sustentáveis. No cenário em que o Brasil detém mais de 90% das reservas mundiais de nióbio, o país torna-se uma potência em explorar esse recurso para as mais diversas aplicações, levando a contribuição científica e tecnológica com alto valor agregado. Neste trabalho, foram sintetizados nanofios de óxido de nióbio (NT-Nb2O5), por meio do método hidrotérmico, utilizando Nb2O5 comercial como precursor. Além disso, fizemos-se a dopagem desses materiais com o molibdênio (Nb2O5/Mo e NT-Nb2O5/Mo) a fim de aprimorar a atividade fotocatalítica. Os materiais sintetizados foram amplamente caracterizados, sendo observadas alterações morfológicas e a formação de diferentes fases cristalinas após a síntese e dopagem do Nb2O5. Os testes de fotodegradação foram prolongados em um reator fotocatalítico, com a manipulação do corante alaranjado de metila sendo avaliados ao longo de 60 minutos por espectrofotometria de observação na região do UV-Vis. As respostas foram avaliadas em diferentes faixas de pH: ácido (pH 2,5), neutro (pH 7,0) e básico (pH 10) e os resultados foram comparados com o dióxido de titânio (P25) e nanotubos de dióxido de titânio (NT-TiO2). Os estudos de fotodegradação com as especulações de Nb2O5 revelaram uma eficácia notável na manipulação sob radiação ultravioleta (? = 393 nm), na presença de H2O2 3% e em meio ácido. O Nb2O5 comercial apresentou uma taxa de manipulação de 97%. Para os materiais sintetizados NT-Nb2O5, Nb2O5/Mo e NT-Nb2O5/Mo, observou-se uma redução da banda de absorção na região do visível, sendo que as taxas de distribuição foram de 64%, 41% e 32%, respectivamente . Esses resultados estão relacionados com os menores valores de área superficial específica encontrados para os materiais sintetizados em comparação ao Nb2O5 comercial. Por outro lado, os valores de band gap dos materiais sintetizados foram maiores que o Nb2O5 comercial, o que corrobora para uma diminuição na eficiência fotocatalítica. Comparativamente, o NT-TiO2 apresentou uma taxa de manipulação de 98%. Devido à menor dispersão do Nb2O5 na solução do corante, foi possível uma separação mais eficiente do fotocatalisador no sistema reacional sendo os materiais reutilizados em 3 ciclos catalíticos. Nas análises de ressonância paramagnética eletrônica fornecidas a adsorção de radicais superóxido na superfície dos fotocatalisadores após a manipulação do corante intermediário a formação desses radicais durante o período de manipulação.

Abstract: Textile industries use large amounts of water and chemicals in their production processes. Liquid effluents from these industries often contain dyes that are difficult to degrade due to the complexity of their molecular structure and synthetic origin. Furthermore, most of these dyes have high toxicity, with diazo and basic dyes being the most toxic. In this context, heterogeneous photocatalysis, an advanced oxidative process, presents promising potential to degrade these dyes through exposure to light. Nanostructured materials with semiconductor properties are potential photocatalysts. Among these materials, niobium oxide has properties that qualify it as a photocatalyst in the degradation of dyes, thus filling a gap in the search for environmentally sustainable solutions. In a scenario in which Brazil holds more than 90% of the world's niobium reserves, the country becomes a powerhouse in exploring this resource for the most diverse applications, leading to scientific and technological contributions with high added value. In this work, niobium oxide nanowires (NT-Nb2O5) were synthesized through the hydrothermal method, using commercial Nb2O5 as a precursor. Furthermore, these materials were doped with molybdenum (Nb2O5/Mo and NT-Nb2O5/Mo) in order to improve photocatalytic activity. The synthesized materials were extensively characterized, with morphological changes and the formation of different crystalline phases observed after the synthesis and doping of Nb2O5. The photodegradation tests were conducted in a photocatalytic reactor, with the degradation of the methyl orange dye being evaluated over 60 minutes by absorption spectrophotometry in the UV-Vis region. The reactions were evaluated in different pH ranges: acidic (pH 2.5), neutral (pH 7.0) and basic (pH 10) and the results were compared with titanium dioxide (P25) and titanium dioxide nanotubes (NT-TiO2). Photodegradation studies with Nb2O5 catalysts revealed remarkable efficiency in degradation under ultraviolet radiation (? = 393 nm), in the presence of 3% H2O2 and in an acidic medium. Commercial Nb2O5 showed a degradation rate of 97%. For the synthesized materials NT-Nb2O5, Nb2O5/Mo and NT-Nb2O5/Mo, a reduction in the absorption band in the visible region was observed, with the degradation rates being 64%, 41% and 32%, respectively. These results are related to the lower values of specific surface area found for the synthesized materials compared to commercial Nb2O5. On the other hand, the band gap values of the synthesized materials were higher than commercial Nb2O5, which corroborates a decrease in photocatalytic efficiency. Comparatively, NT-TiO2 showed a degradation rate of 98%. Due to the lower dispersion of Nb2O5 in the dye solution, a more efficient separation of the photocatalyst in the reaction system was possible, with the materials being reused in 3 catalytic cycles. Electronic paramagnetic resonance analyzes verified the adsorption of superoxide radicals on the surface of the photocatalysts after dye degradation, indicating the formation of these radicals during the degradation period.