Síntese, caracterização e avaliação do potencial catalítico de nanopartículas de TiO2 e TiO2/Au

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Materiais

Autores

Martins Gabriel, A. (UFJ) ; da Silva Malaquias, K. (UFJ) ; Moraes Arantes, T. (UFJ)

Resumo

Este trabalho teve como objetivo a obtenção de nanopartículas de TiO2, sua caracterização e a avaliação da atividade catalítica e fotocatalítica. Para isso, sintetizou-se utilizando o método hidrotérmico. Também foram obtidas nanopartículas de TiO2 revestidas com nanopartículas de Au pelo método de Turkevich. Caracterizou-se os produtos por DRX, espectroscopia de UV-Vis, RAMAN e FTIR e por MET. A avaliação do potencial foi realizada em ensaio de oxidação do álcool benzílico e em ensaios de degradação de corantes sobre luz UV, obtendo-se as propriedades catalíticas e fotocatalíticas. As caracterizações mostraram que foi possível realizar as sínteses dos materiais e os ensaios mostraram que as nanopartículas são ativas como catalisador, mas não apresentam atividade fotocatalítica.

Palavras chaves

nanopartículas; catalisador; hidrotérmico

Introdução

O TiO₂, também conhecido como titânia (ZHANG et al,2018) é um material inorgânico que possui baixo custo de produção e recebe destaque nos últimos anos pela sua abundância, atoxicidade, alta área superficial específica e estabilidade química (MOHAMMADI et al, 2017) e tem sido aplicado no setor têxtil, de cosméticos, pigmentos, filtros solares e baterias, seja na forma do material bruto, seja como nanopartículas. Esse material polimorfo apresenta três formas cristalinas: anatase (tetragonal), rutilo (tetragonal) e bruquita (ortorrômbica). Sendo que as fases mais comuns são a anatase e rutilo que podem ser produzidas comercialmente (RIBEIRO et al, 2018) Um uso importante das nanopartículas é como catalisador, principalmente em processos industriais. Isso se dá pela capacidade das nanopartículas de interagir com o substrato e possibilitar que a reação ocorra de forma mais rápido, necessitando de condições menos drásticas, o que pode garantir um gasto energético menor. Um método utilizado para amplificação das propriedades das nanopartículas é o revestimento de sua superfície com nanopartículas de metais nobres, como ouro, prata, platina. (CAO et al, 2014). Quando se trata de nanopartículas de ouro, observa-se uma grande estabilidade devido a ausência de uma tendência de formação de óxidos. Assim, as nanopartículas de ouro são tão especiais que pequenas mudanças no tamanho e na distribuição podem variar suas propriedades e caraterísticas. (OLIVEIRA, 2009).

Material e métodos

As nanopartículas de TiO2 foram sintetizadas pelo método hidrotérmico por meio da hidrólise do gel PCT, o qual foi sintetizado pela reação entre o isopropóxido de titânio IV e peróxido de hidrogênio 30% em volume, numa proporção molar de 1:10 de Ti:H2O2. Uma alíquota de 10g do gel foi adicionada à 45 mL de água deionizada e colocada no reator hidrotérmico, levado à estufa a 140 ºC por 24 horas e posteriormente secas. Algumas nanopartículas de TiO2 foram decoradas com nanopartículas de ouro pelo método de Turkevich, que consiste na redução do HAuCl4 pelo citrato de sódio em meio aquoso na presença de nanopartículas de óxido de titânio. O estudo da atividade catalítica nas nanopartículas foi realizada de duas maneiras. Primeiramente foram feitos ensaios na reação de oxidação do álcool benzílico em seus derivados, na presença de nanopartículas. Adicionou-se o álcool, carbonato de potássio e 0,005g de nanopartículas no reator de alumínio que foi fechado e deixado por 24h em 160ºC na estufa. Também foi estudada a atividade fotocatalítica das nanopartículas, que foi medida em ensaios de degradação de soluções dos corantes azul de metileno e rodamina B na presença das nanopartículas em uma câmara de radiação equipada com uma lâmpada UV de 400W. As nanopartículas sintetizadas foram caracterizadas por DRX para identificação das estruturas cristalinas. Também foi realizada a caracterização por espectroscopia de UV-Visível, RAMAN, FTIR e microscopia eletrônica de transmissão. A atividade catalítica foi medida no ensaio de catálise da oxidação do álcool benzílico acompanhada por cromatografia gasosa acoplada a um espectrômetro de massas (CG-MS) e a atividade fotocatalítica foi medida no ensaio de fotodegradação de corantes acompanhado de espectroscopia de UV-Vis.

Resultado e discussão

Foi possível realizar a síntese das nanopartículas de TiO2 pelo método proposto. A análise por raios X determinou que as nanoestruturas possuíam 32,9% da fase cristalográfica anatase (JCPDS #21-1272) e 67,1% da fase cristalográfica rutilo (JCPDS #21-1276) com partículas com formato de bastões medindo cerca de 12 nm. A presença das nanopartículas de ouro revestindo a superfície das nanopartículas de óxido de titânio foi verificada por espectroscopia de infravermelho e espectroscopia de UV-Vis, pela formação da banda plasmon em 550 nm. As nanopartículas de TiO2 se mostraram ativas para catálise da oxidação do álcool benzílico, apresentando rendimento significativo, ainda mais para as nanopartículas de óxido de titânio revestidas com nanopartículas de ouro. Os espectros de CG-MS mostraram que as nanopartículas apresentaram seletividade, onde observou-se apenas a presença do benzaldeído como produto de reação. Já no que se refere ao potencial fotocatalítico das nanopartículas, observou-se a eficiência das mesmas pela degradação dos corantes azul de metileno e rodamina B. O espectro de UV-Vis mostra a diminuição da concentração do corante na solução aquosa, sendo possível estabelecer um estudo cinético desse processo.

Difratograma de raios X, Espectro de UV-Vis e Microscopia de Transmissão das nanopartículas.


Cromatograma gasoso do álcool e das amostras após catálise e espectro de massas (CG-MS)

Conclusões

Foi possível realizar a síntese dos materiais seguindo os métodos propostos. Foi possível obter nanopartículas de TiO2 com composição 32,9% de fase anatase e 67,1% de fase rutilo com cristais medindo cerca de 12 nm, além de realizar a decoração de sua superfície com nanopartículas de ouro pelo método de Turkevich. As nanopartículas apresentaram atividade nos substratos em que foram realizados os ensaios, demonstrando sua atividade catalítica e fotocatalítica. Também foi visível o efeito sinérgico causado pela presença das nanopartículas de ouro, gerando um aumento de rendimento nos ensaios.

Agradecimentos

Ao CNPq pela bolsa PIBIC, ao LIEC pelas caracterizações.

Referências

Cao, Z.; Yang, L.; Chen, H.; Xu, C.; Qi, D.; Zhu, S.; Ziener, U. Preparation of Au/TiO2 nanocomposite particles with high visible-light photocatalytic activity in inverse miniemulsions. Colloid and Polymer Science, 293(1), 277–288. 2014
Mohammadi, A.; Karimi, A. A. Methylene Blue Removal Using Surface-Modified TiO 2 Nanoparticles: A Comparative Study on Adsorption and Photocatalytic Degradation, J. Water Environ. Nanotechnol. J. Water Environ. Nanotechnol, vol. 2, no. 22, pp. 118–128, 2017
Oliveira, R. de L. Nanocatalisadores de ouro: Preparação, Caracterização e Desempenho Catalítico. USP. 2009
Ribeiro, M. A.; Gama, L.; Neiva, L. S.; Silva,T. R.; de Oliveira, J. B. L.; Kiminami, R. H. G. A. Avaliação das Características estruturais e morfológicas dos nanopós de TiO2 obtidos pelo método dos precursores poliméricos, 2018.
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