Autores
Barbosa Damaceno, F. (UFVJM) ; Emanuel Pereira Cota, V. (UFVJM) ; Ribeiro de Sousa Barbosa, R. (IFNMG-CAMPUS SALINAS) ; Santos Almeida, J. (UFVJM) ; Ribeiro de Sousa Barbosa, L. (UFVJM) ; Aparecido de Jesus Loures Mourão, H. (UFVJM)
Resumo
As fotodegradações do corante índigo de carmim foram estudadas na presença do
catalisador pentóxido de nióbio, sintetizados pelo método hidrotérmico a 120 e 150
°C, por 5h. O foto-reator era equipado com lâmpadas ultravioleta C e visível,
contendo as amostras, fotocatalisador e corante. O difratograma de raios-X,
revelou um material de baixa cristalinidade. Na radiação ultravioleta C, os
catalisadores nas temperaturas de 120 e 150 °C, apresentaram, uma diminuição na
concentração do corante de 99 e 70%, respectivamente. Já no visível, os materiais
obtidos em ambas as temperaturas demonstraram um desempenho de 70% por um efeito
chamado de fotossensibilização orgânica. Os resultados obtidos poderão contribuir
para a viabilidade do uso do pentóxido de nióbio.
Palavras chaves
Fotocatálise heterogênea; pentóxido de nióbio; fotodegradação
Introdução
Em decorrência dos danos causados pelos impactos ambientais da presença desses
poluentes orgânicos, principalmente nos ambientes hídricos, torna-se necessário
obter materiais mais eficientes que possam minimizar esses efeitos. Para mitigar
estes problemas, estudos na área de química de materiais buscam entender melhor
a relação entre método de síntese, estrutura e superfície dos materiais bem como
suas propriedades fotocatalíticas.
Os semicondutores fotoativos, tais como óxido de zinco (ZnO), vanadato de
bismuto (BiVO4) e o dióxido de titânio (TiO2) podem ser usados para processos
de degradação de poluentes orgânicos, oxidação da água, redução de CO2 e
obtenção de H2 (WU et al., 2014). O pentóxido de nióbio (Nb2O5)
obtido pelo método hidrotérmico é o semicondutor de interesse para este
trabalho. Ele tem atraído grande atenção uma vez que o mesmo apresenta valores
de energia de band gap entre 3,1 a 4,0 eV que estão na região do ultravioleta.
Esta larga absorção, associada a adequadas propriedades eletrônicas e texturais,
torna-o um potencial candidato para aplicações em fotocatálise heterogênea
(ALVES e COUTINHO, 2015;FUJISHIMA HONDA, 1967; MARTINS et al, 2020).
Muitos materiais tais como ZnO, BiVO4 e CaO puros foram testados para a reação
de fotodegradação do índigo de carmim, porém, somente o pentóxido de nióbio
demostrou atividade fotocatalítica muito boa na radiação ultravioleta C e
visível (MOURÃO et al, 2009). No entanto, este material é pouco abordado no que
se refere à fotocatálise e pouco se sabe sobre o real papel do (foto)catalisador
no processo de degradação de poluentes orgânicos. O presente trabalho tem como
objetivo avaliar a atividade fotocatalítica do pentóxido de nióbio na reação de
fotodegradação do índigo de carmim.
Material e métodos
Síntese e caracterização do pentóxido de nióbio (Nb2O5)
Foi solubilizado 1,0 g do precursor oxalato amoniacal de nióbio – cedido pela
Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM) – em 80,0 mL de água
destilada, formando uma dispersão incolor. Em seguida, ela foi colocada em um
reator hidrotérmico fechado para o aquecimento a 120°C e 150°C por 5 h. O
precipitado formado foi centrifugado com água destilada repetidas vezes e álcool
isopropílico, sendo seco na chapa aquecedora a 70 °C por 2 h. A caracterização
foi feita por difração de raios x para determinação da fase cristalina presente,
usando radiação CuKα (λ = 0,5418 Angstrom), 2θ de 5 a 80º.
Teste de fotodegradação
Os testes de fotodegradação foram realizados em um reator fotocatalítico
(Figura 1) com seis lâmpadas fixadas na parte superior que podem ser UVC ou
visível. A potência de ambos os tipos de lâmpadas foi de 15 W as quais
permaneceram a uma distância de, aproximadamente, 24 cm das amostras. O reator
foi conectado a um trocador de calor para manter sua temperatura a 13°C. As
amostras foram preparadas em béqueres contendo 0,0103 g de cada amostra
sintetizada com 20 mL de solução 30 mg/L do corante índigo de carmim (IC) e
deixadas em repouso no escuro por 12 h . A concentração do corante foi
monitorada por espectroscopia UV-Vis nos intervalos de tempos de 15, 45, 105 e
225 min para teste com luz ultravioleta e nos tempos de 30, 90, 210 e 330 min
para os de luz visível. As leituras de absorbância foram analisadas no
comprimento de onda característico do grupo cromóforo do corante de 610 nm para
o índigo de carmim.
Resultado e discussão
A Figura 1 apresenta o difratograma do material obtido na síntese hidrotérmica.
Nas condições de síntese, um pico de intensidade máxima foi observado a 23° que
corresponde ao plano (001) da fase cristalina tetragonal do pentóxido de nióbio.
Os outros três picos de baixa intensidade identificados também podem ser
associados aos planos (100), (002) e (102) dessa fase cristalina tetragonal. A
baixa intensidade destes picos indica um material com baixa cristalinidade,
porém com indícios de formação da fase cristalina tetragonal do pentóxido de
nióbio (ZHANG et al, 2014).
A Figura 2 (A) mostra as curvas de concentração obtidas juntamente com as
fotografias das amostras de corantes utilizadas submetidas à radiação
ultravioleta C. É possível observar também que não houve mudança no aspecto
físico do catalisador, permanecendo na coloração branca até o final do teste
sugerindo que, provavelmente, esteja ocorrendo o processo de fotodegradação ou
remoção de grupo cromóforo, mas sem adsorção significativa do corante pelo
catalisador. Ao analisar diminuição na concentração do corante no tempo de 250
minutos, a amostra de Nb2O5 obtida à 120°C, apresentou uma diminuição de 99%
enquanto que a amostra obtida à 150°C, o valor da diminuição foi de 70%. Este
comportamento foi esperado, uma vez que o Nb2O5 possui um band gap ativo na
região ultravioleta podendo também ser fotoativo no visível.
Cervantes et al, (2009) realizaram a síntese Ti/TiO2 utilizando propriedades
fotoeletrocatalíticas de filmes particulados de TiO2 suportados em placas de
titânio e estimulados por radiação UV-Vis, para avaliar a sua atuação catalítica
na fotodegradação de corante sintetico (azocorante). Os resultados mostraram que
as taxas de descoloração foram superiores a 90% durante um período de 270
minutos nas duas
Giraldi et al (2016) realizaram a síntese do zinco (ZnO) puro e dopado com 0,
25; 0,5 e 1,0% % de mangânes (Mn) pelo método dos percursores poliméricos para
aplicação na degradaçãodo corante azul de metileno. Como resultado, a amostra
com 0,25% de Mn apresentou uma maior fotoatividade, uma vez que promoveu
degradação de 78% do corante em 120 min de exposição à radiação. As amostras ZnO
puro e 0,5% do íon Mn apresentaram atividades semelhantes e, finalmente, com
1,0% de Mn apresentou menor atividade fotocatalítica, degradando 60% do corante
em 150 min. Pode-se perceber que o material puro demonstrou atividade
fotocatalítica igual ao material dopado com íon manganês .
Na Figura 2 (B), estão representadas as curvas de concentração obtidas e as
imagens das amostras submetidas ao teste na radiação visível. Observa-se
que estes materiais também foram fotoativos, exibindo um maior desempenho na
fotdegradação do índigo de carmim e que não há alteração da cor dos
catalisadores. O desempenho das amostras de Nb2O5 obtidas às temperaturas de
120°C e 150°C foi de, aproximadamente, 70%. Os resultados de descoloração do
corante pelo material de Nb2O5 nas temperaturas de 120° e 150°Cpode não ter sido
apenas pela contribuição do efeito de adsorção ou fotodegradação. Uma hipótese
para explicar tal comportamento é que o próprio corante contribuiria com a
atividade do Nb2O5 puro por meio da sua fotoexcitação com a luz visível e
injeção de cargas na BC desse fotocatalisador, efeito este conhecido como
fotossensibilização orgânica (BAE, CHOI, et al., 2000; O'REGAN e GRATZEL, 1991).
No estudo de Leguizamón et al, (2010), foi explorado a fotossensibilização do
semicondutor TiO2 na atividade fotocatalítica para a degradação de um poluente
modelo (fenol) afim de aumentar suas propriedades catalíticas. Como resultado,
foi obtida uma eficiência de remoção de, aproximadamente, 34% da concentração
inicial de fenol em comparação com 19% usando TiO2 não modificado. Liu et al.
(20140 mostraram que a síntese da heteroestrutura BiF3−Bi2NbO5F sintetizada pelo
método solvotérmico (140°C, 12h) produziu um material com um band gap de 3,47
eV. A estrutura foi utilizada na degradação fotossensibilizada da rodamina B
(RhB) sob irradiação de luz visível. A eficiência da fotodegradação da RhB
atingiu 99% após 90 minutos de irradiação.
Difratograma de raios X do óxido de nióbio obtido a partir da síntese hidrotérmica a 150°C (JCPDS no 18- 0911).
Curvas da variação da concentração do corante índigo de carmim submetido à ação do fotocatalisador, Nb2O5 à 120 e 150°C, por 5h(A) UVC e (B) visível.
Conclusões
Foi obtido o pentóxido de nióbio de baixa cristalinidade, sintetizado pelo método
hidrotérmico nas temperaturas de 120 e 150°C. Este material apresentou atividade
fotocatalítica para a degradação do corante índigo de carmim nas radiações
ultravioleta C e visível. Na radiação ultravioleta C, demostraram um resultado de
99 e 70%, de diminuição da concentração do corante respectivamente para as
amostras do pentóxido de nióbio a 120 e 150°C. No visível, ambos os materiais
obtidos exibiram uma diminuição na concentração de 70%, sugerindo assim, a
ocorrência do processo de fotosensitização orgânica.. Para uma constatação do que
está acontecendo na superfície destes catalisadores, se faz necessário um estudo
das propriedades superficiais dos catalisadores como a aplicação de técnicas de
caracterização como potencial zeta e de adsorção. Os resultados revelaram o
material de pentóxido de nióbio promissor para o processo fotocatalítico de do
corante têxtil índigo de Carmim.
Agradecimentos
Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnológico – CNPq pela bolsa de
mestrado e o Programa de Pós-Graduação em química da Universidade Federal dos
Vales do Jequitinhonha e Mucuri (UFVJM).
Referências
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