A fotocatálise em foco: Informações úteis para a tomada de decisão na elaboração de projetos

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Físico-Química

Autores

Barradas de Lira, A.F. (UFPA) ; Rosa Monteiro, W. (UFPA)

Resumo

A alocação de recursos na elaboração de projetos é um desafio quando se busca aprovar e captar recursos. Devido a dificuldade em explanar a urgência nas solicitações, e apresentar os argumentos necessários que passam por equipes de avaliação dos projetos (ad hoc). Este trabalho faz uma avaliação das métricas relacionadas à relevância de algumas técnicas empregadas em artigos que citam os termos catalisador e fotocatalisador, de maneira a se fazer uma relação com as técnicas e sua relevância em pesquisas relacionadas. A pesquisa tomou como base de dados o portal Science Direct e os dados foram organizadas graficamente e estatisticamente, além da avaliação de condições de implantação para cada técnica permitiram fazer sugestões acerca da etapa de elaboração de projetos e alocação

Palavras chaves

elaboração de projetos ; fotocatalise; métricas

Introdução

O crescente aumento das discussões sobre impacto ambiental causado pelo descarte dos resíduos industriais tem levado a uma fiscalização mais severa no que diz respeito às leis ambientais, os 17 objetivos para transformar o mundo, dentro dos ODS (Objetivos de Desenvolvimento Sustentável) previstos pela ONU (Organização das Nações Unidas) tentam trazer uma luz com ações reais que visem a preservação e conservação do meio ambiente. O objetivo 6, reforça a necessidade humana em “Assegurar a disponibilidade e gestão sustentável da água e saneamento para todas e todos”. Diante dessas premissas, a relação entre as ações humanas e os efeitos ao meio ambiente ficam cada vez mais claras. Sauer (2006) faz uma interpretação acerca do adequado tratamento de efluentes o qual está relacionado à proteção ambiental, além de discutir a redução dos custos de produção através da redução da geração de poluentes utilizando tecnologias limpas. O potencial da fotocatálise na descontaminação de efluentes foi explorado pela primeira vez em dois trabalhos de Pruden e Ollis em 1983, onde foi demonstrada a degradação do clorofórmio e do tricloroetileno até a formação de íons inorgânicos durante iluminação de uma suspensão de TiO2 por luz ultravioleta. Desde então, a fotocatálise heterogênea vem atraindo grande interesse de diversos grupos de pesquisa em todo mundo como método eficiente de degradação de poluentes (GOMES, 2013). Conceitualmente, o emprego de um catalisador acelera a reação de interesse de maneira que a barreira de potencial que separa os estados reagentes (antes) e produtos (após), também nomeada como Energia de ativação (Ea), seja mais facilmente superada, fazendo com que o mecanismo da reação também seja alterado, esse processo fornece um caminho alternativo de reação, com energia de ativação menor que a do caminho convencional, ou seja, sem a presença do catalisador. Da mesma forma para a fotocatálise, onde o catalisador é influenciado pela presença de uma radiação luminosa. A fotocatálise tem sua origem na década de setenta quando pesquisas em células fotoeletroquímicas começaram a ser desenvolvidas com o objetivo de produção de combustíveis a partir de materiais de baixo custo (NOGUEIRA, 1997). O princípio da fotocatálise heterogênea envolve a ativação de um semicondutor por luz solar ou artificial. A crise energética e o agravamento do efeito estufa impulsionaram pesquisas para a produção de hidrogênio, o qual consiste de um combustível limpo, ou seja, durante a combustão gera apenas água. Há na literatura, e também em fase de comercialização, diversas metodologias para a geração de hidrogênio, dentre elas a redução da água usando fotocatalisadores chama muita atenção (MARQUES, 2016). Da mesma forma que as pesquisas avançam, observa-se também que as técnicas envolvidas nas etapas de caracterização desses materiais agregam tecnologias e instrumental cada vez mais avançados e ainda, quanto maior o número de pesquisadores envolvidos, mais essas técnicas vão se tornando cada vez mais comuns ou mesmo mais difundidas. Nas universidades, sobretudo no Brasil, ou mesmo em países em desenvolvimento, as pesquisas necessitam em grande parte de investimentos públicos, no entanto, esses investimentos também podem vir da iniciativa privada ou fundos específicos, seja por interesses industriais ou mesmo a partir de grupos que representem interesses comuns, como entidades que visem à preservação e conservação do meio ambiente. Muito embora a avaliação dos projetos envolva equipes ad hoc, as quais são compostas por importantes pesquisadores do setor, algumas decisões, sobretudo financeiras, passam por setores de decisão que não estão alinhadas com a realidade de cada proponente ou região onde se pretende realizar a pesquisa. Assim, torna-se necessário trabalhar com as métricas envolvidas nas pesquisas, ou seja, os números que estão por trás da pesquisa envolvendo determinado assunto. Sabe-se que uma pesquisa evolvendo métricas de grande vulto envolveriam um enorme número de pessoas e até mesmo um tamanho de dados inimagináveis, no entanto, para o presente trabalho, faremos um pequeno esforço em evidenciar os motivos pelos quais, nas etapas de elaboração de um projeto de pesquisa deve-se alocar, por exemplo, recursos para determinadas rubricas em detrimento de outra, seja a partir de critérios referentes à manutenção de equipamentos, disponibilidade no parque instrumental ou mesmo know how da equipe parceira. Nesse trabalho faremos uma avaliação da evolução desses números, tanto relacionados à fotocatálise como as principais técnicas envolvidas nessa área. Tais informações serão uteis no sentido de auxiliar pesquisadores com o fornecimento de dados para o desenvolvimento de novos projetos nessa área, sobretudo reforçando o entendimento quanto a alocação de recursos financeiros e à tomada de decisão.

Material e métodos

A captação das informações abordadas no trabalho passou pela pesquisa objetiva envolvendo o portal de periódicos da CAPES. Como o portal concentra uma gama gigantesca de bases de dados possíveis, uma forma de localizar a pesquisa foi restringir a busca segundo alguns critérios básicos, como por exemplo, a escolha da base de dados, o intervalo de tempo a ser considerado, o tema tronco da físico-química, aqui no caso foi a catálise, e o subtema escolhido que foi a fotocatálise. A base de dados escolhida foi a Science Direct, a partir da consulta ao portal de periódicos da CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior). Após definir a base de dados o intervalo de tempo para a realização das buscas por artigos foi definido em dez anos, a saber desde o ano de 2010 até o ano de 2019. A pesquisa baseou-se em uma avaliação quantitativa, fazendo-se a consulta direta dos termos no menu avançado do motor de busca da base de dados considerada, as respostas obtidas foram categorizadas pelo próprio site, no entanto apenas os dados diretos foram aproveitados. As palavras chaves foram relacionadas com a área da catálise, sendo que o termo buscado foi “catalisador”, no entanto, como base de dados utiliza como idioma padrão o inglês, o termo “catalyst” foi combinado com o termo “photocatalyst” de maneira que inicialmente tivéssemos a correlação do número de artigos publicados em que fotocatalisadores tenham sido o assunto ou permeado o artigo, seja como síntese, caracterização ou mesmo a aplicação. As técnicas de caracterização também foram contempladas na pesquisa, sendo que a partir das mesmas seria possível evidenciar um comportamento referente à utilização destas dentro da área de fotocatálise. As técnicas foram relacionadas com suas siglas ou como mais comumente são reportadas na literatura em sua terminologia em inglês, são elas a reflectância difusa na espectroscopia de ultra violeta (DRS-UV), a difratometria de raios x (DRX), a espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), a microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM), a identificação de acidez superficial de Bronsted ou Lewis por adsorção de piridina, que nesse caso foi usada uma combinação de termos para facilitar a busca “Lewis and Brønsted acid" e "pyridine”, fisissorção de nitrogênio para os cálculos de área superficial e distribuição porosa, onde os termos empregados foram “nitrogen physisorption” e por último, uma técnica bastante avançada com uma carga de teoria complexa e difundida em poucos centros de pesquisa que é a espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS). As respostas numéricas foram organizadas graficamente para facilitar a identificação das tendências e, para isso, foi utilizado um software apropriado (MS Excel®), a partir do qual foi possível também fazer as avaliações estatísticas, considerando os valores absolutos e relativos dos quantitativos coletados.

Resultado e discussão

Segundo o levantamento bibliográfico feito a partir do portal periódico CAPES, nos dias 13 e 14 de agosto de 2019 e, dentro dos critérios empregados para a investigação, onde foram empregados os termos individuais cruzados de “catalyst” e “catalyst photocatalyst”, observou-se que até esta data de 2019 14% das pesquisas envolvendo catálise tem como assunto pesquisado a fotocatálise, isso indica que em dez anos houve um aumento no interesse em pesquisar o assunto, visto que em 2010 5% das pesquisas em catálise eram sobre fotocatalisador. Ainda na mesma análise, se levarmos em consideração os últimos 5 anos, é notável o crescimento de forma acelerada nas pesquisas em fotocatálise, salientando que em 2017 houve um acréscimo de mil artigos de fotocatálise em relação a 2016. Figura 1 – Evolução das citações envolvendo os termos “catatlyst” e “catalyst and photocatalyst”, valores normalizados no gráfico e na tabela interna valores absolutos Observa-se no gráfico na Figura 1, que entre 2016 e 2017, o termo fotocatalisador apresentou um aumento de mais de 20 % na quantidade de artigos publicados, coincidentemente à época observou-se na literatura um aumento em pesquisas voltadas para o meio ambiente e esse comportamento se deu provavelmente devido ao apelo/demanda energética e ambiental (NOGUEIRA, 1997). Ao analisar os dados absolutos, os artigos citando fotocatalisadores tiveram um aumento numérico de 5 vezes no intervalo considerado, enquanto que os artigos envolvendo apenas o termo catalisador apresentaram um aumento de apenas 1,6. Uma outra forma de analisar esses dados, a Figura 1 mostra no gráfico uma simulação de linearização a qual observa-se uma tendência de crescimento exponencial nas citações do termo fotocatalisador nos últimos 10 anos, enquanto que as pesquisas que citam o termo catalisador crescem de forma linear, ou seja, o crescimento do “ catalyst photocatalyst” foi mais acelerado, apesar de apresentar menos artigos publicados relativamente. Tabela 1- Número de citações das técnicas empregadas nos artigos com o termo fotocatalisador publicados nos últimos 10 anos. Sobre as técnicas aplicadas nos artigos publicados que empregam o termo fotocatalisador, estas foram analisadas empregando a forma de apresentação comum nos artigos segundo suas siglas ou nomenclaturas usuais, assim, entre as técnicas analisadas, a DRS (reflectância difusa na espectroscopia na região do ultravioleta), a qual apresentou um aumento de 11 vezes no número de pesquisas no intervalo de 10 anos, apresenta considerável relevância em comparação com a mesma análise cruzando sua aplicação nos artigos que falam apenas de catalisadores em valores brutos, ou seja, a técnica chega a representar 84,8% do total de pesquisas realizadas no ano de 2018. Atribui-se esta versatilidade da técnica a o fato de ela apresentar baixo custo de manutenção e instalação, sem a necessidade de treinamento especializado, propiciando assim, maior número de colaboradores utilizando a referida técnica. Apesar de apresentar alto custo de instalação e de manutenção, o uso da técnica HRTEM (microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução) apresenta um aumento de 12,6 vezes, sendo assim, o maior aumento nos últimos 10 anos (2009 – 2019). Entretanto, não teve a representatividade esperada em relação à pesquisa de catálise, pois a técnica não chegou a representar nem 50% do total de pesquisas de catálise. O ápice de tal técnica se deu do ano de 2016 para 2017 de modo a obter um aumento de 40% das pesquisas realizadas. A técnica XPS (espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X) além de necessitar de treinamento especializado teórico e prático, apresenta alto custo de instalação e manutenção periódica para que tenha a eficiência desejada. Apesar disso, foi a técnica mais empregada nas pesquisas em valores absolutos, de modo a aumentar consideravelmente a contagem de artigos envolvendo o termo fotocatalisador. Embora os números sejam expressivos, ou seja, tenha apresentado um aumento no número de aplicações em artigos de 11 vezes em dez anos, ela é citada em apenas 25% do total de pesquisas envolvendo o termo catalisador. De um ano para outro, observou-se que o maior aumento registrado no número de citações da técnica em que se cita o termo fotocatalisador se deu entre os anos de 2016 e 2017, representando um aumento de cerca de 50%. O que indica a sua importância para as pesquisas envolvendo o tema. Para as demais técnicas, que mesmo apresentando baixa representatividade no número de artigos envolvendo os temas aqui propostos, chama-se a atenção à técnica de difratometria de raios x (DRX) que embora seja uma técnica trivial em algumas áreas, na área da catálise ela é pouco expressiva numericamente, tanto que a mesma apresentou um número de citações elevado em ambos os termos pesquisados, no ano de 2015 e depois sutilmente esse número veio diminuindo até 2019. O que se percebe nas últimas publicações em catalisadores são as inovações relacionadas à forma, condição ou mesmo combinações de fases ativas, e pouco se constata avanços quanto ao suporte, pois via de regra são utilizados ou uma alumina, sílica, aluminosilicatos, peneiras moleculares entre outros óxidos já consagrados como suportes catalíticos, além dos compósitos (ANTOLINI, 2010), por outro lado, outras pesquisas mais recentes utilizam suportes a base de carbono como nanotubos de carbono ou o grafeno (OH et al, 2017). Nessas aplicações, dada a estrutura bem definida dos óxidos e ainda a estrutura dos compostos carbonosos, outras técnicas são mais adequadas ao uso do que a de DRX ou mesmo a adsorção de nitrogênio. Uma outra técnica que embora apresente poucos números de citações nos artigos foi a que emprega a piridina para a determinação da acidez superficial, isso quando cruzamos esse termo com o termo fotocatalisador. Embora essa seja uma afirmação real, o crescimento do uso da técnica é notável e a mesma se confunde com a sua técnica complementar que é o uso do FTIR, ambas cresceram em número de citações em dez anos aproximadamente 12 vezes e indicam que essas técnicas tem certa relevância quando trabalhadas com fotocatalisadores. Considerando que o custo de manutenção dos equipamentos envolvidos em algumas técnicas pode ser estimado em função de vários fatores, sobretudo a distância dos grandes centros e a disponibilização de verbas escassas. Das três principais técnicas envolvidas, isso em relação à relevância quanto ao número crescente de artigos citados, é possível dizer que as técnicas de XPS e HRTEM são as mais difíceis de se manter em um laboratório. A elaboração de projetos em que há a necessidade de se alocar os recursos adequadamente, fica evidente que podem ser alocados recursos para a realização dessas análises como serviços de terceiros. Sobre o uso do FTIR, trata-se de equipamento comum nos laboratórios, porém sua utilização pode estar associada com a avaliação de sítios ácidos por piridina, e normalmente o uso do equipamento é cativo da técnica. Há que se avaliar se há infraestrutura para tanto ou alocar verbas para a realização das análises em laboratório de referência. Da mesma forma a técnica de DRX é bastante comum nos laboratórios, e normalmente o equipamento é atribuído a um determinado setor ou área a qual pode fazer as análises interinstitucionais ou intra-institucionais. De qualquer forma vale a avaliação da disponibilidade dessa técnica e o investimento no equipamento é elevado além do custo de manutenção com sistemas de resfriamento, além do risco da radiação ionizante. Sobre a técnica de fisissorção de nitrogênio, ela também demanda um custo de manutenção, mas relativamente menor, pois há a necessidade de calibração (como outras técnicas) e a utilização de sistemas de vácuo e nitrogênio líquido, este último deve ser sempre utilizado e que sem ele a análise fica inviabilizada. Vale a pena avaliar a dispon

Tabela 1- Número de citações das técnicas empregadas nos artigos com o termo fotocatalisador publicados nos últimos 10 anos.


Evolução das citações envolvendo “catatlyst” e “catalyst photocatalyst”, valores normalizados no gráfico e na tabela interna valores absolutos

Conclusões

A análise dos resultados bibliográficos e quantitativos conclui que nos últimos 10 anos houve aumento na quantidade de artigos publicados sobre catálise e fotocatálise. Verificou-se que o método XPS é o mais utilizado na fotocatálise, porém a DRS representa maior porcentagem de técnicas aplicadas em artigos que envolvem fotocatalisadores nos últimos 10 anos. Os dados cruzados com informações de custo de manutenção de equipamentos ou mesmo custo de implantação facilitam a tomada de decisão quanto a alocação de recursos financeiros, sendo que em um cenário para serviços de terceiros pessoa jurídica no lugar de alocar recursos para a rubrica de Material Permanente, por exemplo, sobretudo quando se quer atribuir maior credibilidade aos resultados obtidos apresentando técnicas de maior relevância no meio científico como XPS e HRTEM.

Agradecimentos

Agradecemos à Plataforma Periódicos Capes e à Universidade Federal do Pará por disponibilizar o acesso à base de dados Science Direct.

Referências

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