Desenvolvimento de materiais fotocatalisadores baseados em TiO2 (rutilo), BiVO4 e BiNbO4

Abstract

Uma das consequências da evolução tecnológica pela qual a sociedade está passando é o aumento considerável da geração de resíduos, sendo de suma importância o aprimoramento de métodos capazes de degradar poluentes presentes em rios, mares e no solo. Nesse contexto, uma alternativa em potencial é a fotocatálise heterogênea empregando semicondutores capazes de interagir com radiação solar que mitiga a contaminação das águas através de um processo eficiente, de baixo custo e com a utilização de uma energia sustentável. Ao longo dos anos, diversos estudos têm sido realizados com foco no desenvolvimento de novos materiais fotocatalisadores, seja por meio de abordagens experimentalistas ou teórico-computacionais. Em particular, a maior parte das abordagens computacionais empregadas atualmente analisa apenas o estado fundamental do material, negligenciando dessa maneira uma etapa importante do processo de fotocatálise que é seu o estado excitado, obtido quando o semicondutor interage com a radiação solar. Frente a isso, o presente trabalho apresenta uma análise detalhada das propriedades eletrônicas e fotocatalíticas do estado fundamental de dois materiais semicondutores, bem como propõe uma nova metodologia para o estudo do estado excitado destes sistemas e suas propriedades. Para garantir a representatividade da abordagem proposta, dois materiais bem conhecidos na literatura foram investigados, o TiO2 e o BiVO4. As propriedades dos materiais em sua forma de bulk e superfícies, em seus estados fundamentais e excitados, foram acessadas por meio de simulações computacionais baseadas na Teoria do Funcional de Densidade usando o pacote CRYSTAL23. Os resultados obtidos demonstram as excelentes propriedades fotocatalíticas de ambos os materiais, assim como obtido experimentalmente, bem como oferece informações importantes para justificar a eficiência fotocatalítica de cada material a partir de aspectos dos éxcitons formados e possibilidade de sua separação em pólarons. Destaca-se também a importância da abordagem computacional desenvolvida no presente estudo, uma vez que demonstra a ineficiência de estudos focados no estado fundamental para predição de propriedades fotocatalíticas do material ou ausência de informações relevantes como a natureza dos éxcitons formados. A concordância entre resultados experimentais reportados na literatura para ambos os materiais e os aspectos teóricos observados no presente trabalho evidenciam a representatividade da abordagem proposta