Desenvolvimento de compósitos ternários ZnO/Bi2O3/Xerogel de carbono como fotocatalisadores para a degradação de poluentes orgânicos persistentes

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: Moraes, Nícolas Perciani de
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Bismuth oxide; Carbon xerogel; Fotocatálise; Óxido de bismuto; Óxido de zinco; Persistent organic pollutants; Photocatalysis; Poluentes orgânicos persistentes; Xerogel de carbono; Zinc oxide
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/97/97140/tde-01072022-155249/

Nesse trabalho foi explorado o desenvolvimento de fotocatalisadores de alta eficiência baseados em óxido de zinco, óxido de bismuto e xerogel de carbono para aplicação em processos fotocatalíticos sustentáveis empregando luz solar simulada e visível, visando a degradação de poluente orgânicos persistentes (4-clorofenol e bisfenol-A) em efluentes aquáticos. A utilização dos semicondutores ZnO e Bi2O3 é justificada pela formação de heterojunções do tipo p-n, enquanto que a escolha do xerogel de carbono como co-catalisador é justificada por sua elevada condutividade elétrica, alta área superficial, porosidade controlável e possibilidade de síntese utilizando precursores obtidos de fontes renováveis e de baixo custo, como o tanino e a lignina. Para os fotocatalisadores, foi estudado o efeito das razões entre xerogel de carbono/ZnO e ZnO/Bi2O3, temperatura de calcinação, meio de síntese (aquoso ou alcoólico), rota de síntese (ácida ou básica) e diferentes precursores carbonosos (tanino, lignina e resorcinol) em suas propriedades estruturais e fotocatalíticas. No que tange aos materiais ZnO/Bi2O3/xerogel de carbono sintetizados utilizando tanino como precursor para o xerogel de carbono, foi determinado que a temperatura de calcinação é de suma importância para a atividade fotocatalítica obtida, devido à sua influência na estrutura final do compósito. A maior eficiência fotocatalítica foi verificada para o material calcinado a 600 °C, devido à formação das fases β-Bi2O3 e Bi0, que concomitantemente com o xerogel de carbono, promoveram um aumento na separação de cargas fotogeradas devido à formação de heterojunções entre as diferentes fases presentes na estrutura do material. Dentre as razões ZnO/Bi2O3 avaliadas (1-10%), a proporção intermediária de óxido de bismuto na estrutura do material (XC/ZnO-Bi2O3 5%) resultou em uma maior eficiência de fotodegradação das moléculas de 4-clorofenol e bisfenol-A, sob ambas as radiações estudadas (solar e visível). Também foi verificado que as sínteses em meio alcoólico ou por rota ácida não levaram à melhoria da atividade fotocatalítica do material XC/ZnO-Bi2O3 5%, devido às modificações estruturais e morfológicas não vantajosas observadas nos materiais resultantes, como a diminuição de área superficial e modificação nas razões entre as fases β-Bi2O3 e Bi0. Para os materiais sintetizados utilizando lignina, foi observado que um aumento na temperatura de calcinação para 700 ºC resultou em materiais com maior atividade fotocatalítica, sendo que o material XCL/ZnO-Bi2O3 5% apresentou a maior eficiência para a degradação dos poluentes avaliados. Novamente, a temperatura de calcinação foi um fator crítico para a formação de fases cristalinas baseadas em bismuto, responsáveis pela formação de heterojunções na estrutura do material. A adição de lignina também resultou em modificações morfológicas nos materiais compósitos, como a formação de partículas em forma de placas e aumento da área superficial especifica. Finalmente, foram estudados fotocatalisadores produzidos utilizando resorcinol como precursor carbonoso, uma vez que essa molécula sintética é comumente utilizada para a produção de xerogéis de carbono. Foi verificado que os materiais ternários não obtiveram boa eficiência fotocatalítica para a degradação das moléculas avaliadas, uma vez que não houve sinergia apropriada entre os componentes do compósito, levando à baixa formação de fases cristalinas baseadas em bismuto e baixa área superficial específica.