Desenvolvimento de fotocatalisador a base de TiO2 dopado com Nb2O5 suportado em caulinita aplicado ao processo de fabricação de revestimentos cerâmicos por monoqueima

Abstract

O Dióxido de Titânio (TiO2) é um composto amplamente utilizado devido às suas propriedades semicondutoras e capacidade fotocatalítica para decompor compostos orgânicos no ar ou na água. A forma anatase do TiO2 é essencial para essa função, mas pode se transformar em rutilo em altas temperaturas, perdendo a eficácia. Uma hipótese para contornar isso, é utilizar o suporte de TiO2 em caulinita, um mineral facilmente encontrado e de baixo custo, que pode ajudar a manter a estabilidade da fase anatase mesmo em temperaturas elevadas. A incorporação do TiO2 na estrutura da caulinita ocorre por meio de processos de síntese que garantem uma boa dispersão do material catalítico sobre a superfície da argila. Isso permite uma interação eficaz entre o TiO2 e a matriz de caulinita, promovendo a estabilização da fase anatase. Além disso, esse suporte oferece outras vantagens, como o aumento da área superficial disponível para reações de fotocatálise, a melhora da aderência do fotocatalisador à superfície dos materiais cerâmicos e o reforço da resistência mecânica dos revestimentos. Essas estratégias estão sendo estudadas para aprimorar a preparação e as características do fotocatalisador visando sua aplicação para a produção de revestimentos cerâmicos autolimpantes. A utilização desse suporte é fundamental para impulsionar o desenvolvimento de tecnologias de fotocatálise mais eficazes e sustentáveis. Durante a investigação do efeito da temperatura de calcinação da amostra em pó, o fotocatalisador dióxido de titânio suportado em caulinita (KaTiO2) demonstrou estabilidade em várias temperaturas (100 °C, 400 °C, 700 °C e 1000 °C), os resultados foram consistentes em relação aos encontrados por Barbosa et al., (2015). Esses destacam sua atividade fotocatalítica promissora, comparável à do fotocatalisador comercial Degussa P25. Inicialmente, o estudo investigou o desempenho do fotocatalisador em revestimentos cerâmicos não esmaltados em temperaturas de queima entre 800 °C a 1185 °C. A amostra com 5 g/m2 de titânia/caulinita aplicada em revestimento cerâmico não esmaltado (KT-NE), demonstrou uma atividade fotocatalítica em diferentes temperaturas, variando entre 54 % e 65 %. Esses resultados demonstram uma eficácia superior mesmo em temperaturas altas, em comparação com a amostra comercial Degussa P25, que apresentou uma variação na atividade fotocatalítica entre 19 % e 63 %, sugerindo uma redução na atividade com o aumento da temperatura. Para aumentar a atividade fotocatalítica dos revestimentos cerâmicos foi utilizado o pentóxido de nióbio (Nb2O5) e tendo em vista os bons resultados em revestimentos cerâmicos não esmaltados, para fins de otimização, utilizou-se o fotocatalisador dopado e não dopado em revestimentos cerâmicos esmaltados. Isso se deve à sua aplicação mais comum em ambientes industriais e residenciais, representando uma situação próxima das condições industriais de uso dos fotocatalisadores em revestimentos. A concentração de TiO2 variou de 0 % a 12 % em amostras sem fase vítrea, sendo que a concentração de 12 % de TiO2 mostrou-se mais eficaz na decomposição do corante azul de metileno (AM). Os resultados da amostra composta por caulim ativado por 3 horas com 12 % TiO2 suportado em caulinita, dopado com 5 % de Nb2O5 (K3hT12N5), demonstraram atividade fotocatalítica de 33 %, indicando que a dopagem com Nb2O5 contribuiu para essa atividade. Por outro lado, a amostra composta por caulim ativado por 3 horas com 12 % de TiO2 suportado em caulinita (K3hT12), apresentou atividade fotocatalítica de 30 %, demonstrando resultados semelhantes. O aumento de 3 % na atividade fotocatalítica não é considerado significativo em relação aos custos adicionais associados à dopagem com Nb2O5, sugerindo que essa dopagem pode não ser viável, uma vez que os resultados foram semelhantes sem a dopagem. As análises de XPS, FTIR e FEG-SEM demonstraram a distribuição do TiO2 sobre a superfície, demonstrando a presença de titânio na caulinita e, consequentemente, nos revestimentos cerâmicos. Essas técnicas possibilitaram a observação da integração eficiente do TiO2 à matriz cerâmica, importante para assegurar a eficácia do fotocatalisador na decomposição de poluentes orgânicos. Esses resultados reforçam o potencial do fotocatalisador TiO2 suportado em caulinita como uma alternativa viável para aplicação em revestimentos cerâmicos em condições industriais de processamento. Os resultados deste estudo validam a eficácia e praticabilidade do fotocatalisador TiO2 suportado em caulinita para produzir revestimentos cerâmicos autolimpantes em ambientes industriais, dispensando a necessidade de dopagem.

Abstract: Titanium dioxide (TiO2) is a widely used compound due to its semiconductor properties and photocatalytic ability to decompose organic compounds in air or water. The anatase form of TiO2 is essential for this function, but it can transform into rutile at high temperatures, losing effectiveness. One hypothesis to overcome this is to use TiO2 supported on kaolinite, a readily available and low-cost mineral, which may help maintain the stability of the anatase phase even at elevated temperatures. The incorporation of TiO2 into the kaolinite structure occurs through synthesis processes that ensure good dispersion of the catalytic material on the clay surface. This allows for effective interaction between TiO2 and the kaolinite matrix, promoting the stabilization of the anatase phase. Additionally, this support offers other advantages, such as increasing the available surface area for photocatalytic reactions, improving the adhesion of the photocatalyst to ceramic materials' surface, and reinforcing the mechanical resistance of coatings. These strategies are being studied to enhance the preparation and characteristics of the photocatalyst for its application in the production of self-cleaning ceramic coatings. The use of this support is important to driving the development of more effective and sustainable photocatalysis technologies. During the investigation of the sample's calcination temperature effect, the titanium dioxide photocatalyst supported on kaolinite (KaTiO2) demonstrated stability at various temperatures (100 °C, 400 °C, 700 °C, and 1000 °C), with results consistent with those found by Barbosa et al. (2015). These highlight its promising photocatalytic activity, comparable to that of the commercial photocatalyst Degussa P25. Initially, the study investigated the performance of the photocatalyst on unglazed ceramic coatings at firing temperatures ranging from 800 °C to 1185 °C. The sample with 5 g/m2 of titania/kaolinite applied on unglazed ceramic coating (KT-NE) demonstrated photocatalytic activity at different temperatures, ranging between 54 % and 65 %. These results demonstrate superior efficacy even at high temperatures compared to the commercial Degussa P25 sample, which showed variation in photocatalytic activity between 19 % and 63 %, suggesting a decrease in activity with increasing temperature. To increase the photocatalytic activity of ceramic coatings, niobium pentoxide (Nb2O5) was used, and given the good results in unglazed ceramic coatings, for optimization purposes, the doped and non-doped photocatalyst was used in glazed ceramic coatings. This is due to its more common application in industrial and residential environments, representing a situation close to industrial conditions of use of photocatalysts in coatings. The concentration of TiO2 varied from 0 % to 12 % in samples without glassy phase, with the concentration of 12 % TiO2 showing to be more effective in the decomposition of methylene blue dye (MB). The results of the sample composed of kaolin activated for 3 hours with 12 % TiO2 supported on kaolinite, doped with 5 % Nb2O5 (K3hT12N5), demonstrated photocatalytic activity of 33 %, indicating that doping with Nb2O5 contributed to this activity. On the other hand, the sample composed of kaolin activated for 3 hours with 12 % TiO2 supported on kaolinite (K3hT12), showed photocatalytic activity of 30 %, demonstrating similar results. The 3 % increase in photocatalytic activity is not considered significant in relation to the additional costs associated with doping with Nb2O5, suggesting that this doping may not be viable, since the results were similar without doping. XPS, FTIR, and FEG-SEM analyses demonstrated the distribution of TiO2 on the surface, showing the presence of titanium in kaolinite and, consequently, in ceramic coatings. These techniques allowed the observation of efficient integration of TiO2 into the ceramic matrix, important to ensure the efficacy of the photocatalyst in the decomposition of organic pollutants. These results reinforce the potential of TiO2 photocatalyst supported on kaolinite as a viable alternative for application in ceramic coatings under industrial processing conditions. The results of this study validate the efficacy and practicality of TiO2 photocatalyst supported on kaolinite for producing self-cleaning ceramic coatings in industrial environments, dispensing with the need for doping.