FOTODEGRADAÇÃO DO CORANTE REMAZOL BLACK B UTILIZANDO NANOCOMPÓSITOS ZnO/Ag SOB RADIAÇÃO VISÍVEL

ÁREA

Química de Materiais

Autores

Almeida, R.P. (UFRPE) ; Rodrigues, C.H. (UFPE) ; Silva, L.C. (UPE) ; Barros, I.C.L. (UFRPE) ; Santos, B.S. (UFPE)

RESUMO

O presente estudo apresenta o potencial de mineralização do corante RB5 utilizando nanocompositos de ZnO e nanoprismas de prata (AgNPrs) sob radiação visível. Os resultados fotocatalíticos indicaram que tanto a amostra do compósito ZnO-Ag1 quanto a do ZnO-Ag2 obtiveram maior degradação do RB5 (30%) e (26%) respectivamente, (a uma concentração 0,5 g / 50 mg/L) sob radiação visível (400-700 nm, D = 14,9 W/m² ), quando comparado a nanoestruturas de ZnO puro (13,3%). Observou-se também que a inserção de AgNPrs na superfície do ZnO possibilitou a degradação tanto na região do UV quanto no visível, e com maiores taxas (45,6 e 65% - ZnO-Ag1; 44,5 e 52,5% - ZnO-Ag2), quando comparados ao ZnO puro, com destaque para o ZnO-Ag1. Estes resultados se devem à influência da banda plasmônica das AgNPrs.

Palavras Chaves

Compósito; Fotocatálise; Plasmônica

Introdução

O desenvolvimento de técnicas visando a degradação de poluentes orgânicos em meio aquoso vêm se destacando nos últimos anos (BHAUMIK et al., 2015). A fotocatálise plasmônica apresenta a possibilidade de mineralização dos poluentes utilizando materiais híbridos que podem ser ativados sob radiação visível. Dentre esses semicondutores, os óxidos metálicos, como o ZnO, têm sido amplamente aplicados como fotocatalisadores de poluentes em meio aquoso. O ZnO tipo wurtzita hexagonal é um material semicondutor de tipo “n”, versátil, com grande energia de ligação de excitação de 60 meV à temperatura ambiente, com uma energia de banda larga (gap) de 3,3 eV, ecologicamente correto, baixo custo, com alta atividade catalítica e grande faixa de absorção da luz solar (HUAN et al., 2020). Entretanto, o amplo gap de ZnO resulta em baixa eficiência de separação de éxciton (par elétron-buraco) sob a irradiação de radiação visível (AHMAD et al., 2020). Para melhorar a eficiência do ZnO e/ou ajustar o gap, pesquisadores vêm adicionando em sua superfície, nanopartículas plasmônicas como Au, Ag ou Cu, que possibilitam maior atividade fotocatalítica (ZHANG et al., 2017). As nanopartículas de prata (AgNPs) apresentam diversas morfologias, sendo que a morfologia de prisma apresenta efeito de ressonância plasmônica de superfície sintonizável na região do visível (MILLSTONE et al., 2009). Este efeito promove ao semicondutor a diminuição da recombinação e-/h+, como também, absorção de fótons na região do visível e assim aumentar a eficiência catalítica (NETO-FERREIRA, 2015). Portanto, este trabalho propõe o estudo do potencial fotocatalitico amplificado pelas propriedades plasmônicas do nanocompósito ZnO/Ag frente à fotodegradação do corante Remazol Black 5 (RB5), em meio aquoso, como modelo.

Material e métodos

A preparação dos nanocompósitos ocorreu por duas metodologias. Na primeira, foi adicionado cerca de 1 g de ZnO nanoestruturado em 100 mL da suspensão das AgNPs. A mistura foi colocada em um ultrassonicador (T18 basec IKA), sob agitação por 1 hora. Em seguida, o sistema foi centrifugado a 4000 rpm por 30 min e o pó resultante seco em estufa a 50 °C/3 h. Esta amostra seca foi nomeada de ZnO-Ag1. Para a segunda metodologia, o ZnO foi adicionado ao sistema de crescimento da AgNP, onde 1 g de ZnO foi adicionado ao Erlenmeyer com água deionizada (5,0 mL) e ácido ascórbico (75 µL, 10 mmol.L^-1), além de 6,5 mL da AgNP esférica, seguida pelo gotejamento de AgNO3 (13,5 mL, 0,5 mmol.L^-1). Posteriormente, o material obtido foi separado da solução por centrifugação e seco em estufa a 50 °C/ 3 h. Por fim, a amostra seca foi nomeada de ZnO-Ag2. Os materiais obtidos foram caracterizados por Microscopia de Transmissão Eletrônica (MET), Difração de Raios-X (DRX), Potencial Zeta (PZ) e Espectroscopia de Infravermelho (FTIR). Para fins de comparação, também foram caracterizados o ZnO puro e a dispersão das AgNPrs. Para a reação de fotodegradação do Remazol Black B, foi utilizada uma solução aquosa do corante a 50 ppm e cerca de 0,5 g do nanocompósito. A mistura permaneceu em contato por 12 h sob agitação e na ausência de luz. Posteriormente a mistura foi distribuída em microplacas de 12 poços (4 mL/poço) e disposta na câmara de fotodegradação. O recipiente permaneceu sob luz visível (400-700 nm) por 2 h 30 min, e a degradação do corante foi analisada em um Espectrofotômetro UV-vis, no comprimento de onda de 597 nm, nos intervalos de 0, 30, 60, 90, 120 e 150 min. O procedimento também foi repetido irradiando-se a amostra com luz UV (300-400 nm).

Resultado e discussão

Os difratogramas dos compósitos (Não mostrado) não demonstraram reflexões características de prata. Entretanto, apresentaram um halo, atribuído à fase amorfa do estabilizante (PSSS) das AgNPrs. O espectro de FTIR dos nanocompositos não apresentaram grandes alterações quando comparados ao espectro de FTIR do ZnO puro, apresentando, apenas, duas bandas em 1144 e 1217 cm^-1 atribuídas vibrações simétricas e antissimétricas dos grupos – SO₃ da molécula do PSSS, para o ZnO-Ag1. O PZ demonstrou aumento de estabilidade e carga negativa para os ZnO-Agx, quando comparados ao ZnO puro. Além disso, as imagens de MET (Não mostrado) demonstraram grande quantidade de AgNPrs na superfície dos nanocompositos, com destaque para o ZnO-Ag1. Para o ZnO-Ag1 e ZnO-Ag2 observou-se taxas de degradação do RB5 de 30% e 26,5%, respectivamente (Figura 1). Estes valores foram superiores aos encontrados para o ZnO puro ou AgNPrs, permitindo considerar que o aumento da degradação do RB5 pode ser atribuído ao plasmon de superfície das AgNPrs. Estes resultados são superiores aos encontrados por Santos (2019) na qual utilizaram nanocompositos de AgNPs esféricas/ZnO na degradação do RB5. Quando comparados, os fotocatalisadores apresentaram taxas de degradação distintas, possivelmente a quantidade de AgNPrs depositada sobre a superfície do ZnO são distintas, sendo o ZnO-Ag2 o fotocatalisador o que apresenta menor quantidade de Ag depositada. Esses resultados corroboram com as caracterizações realizadas. Devido ao efeito de ressonância plâmonica das AgNPrs, a incidência de radiação sob as AgNPrs, depositadas sobre o ZnO, promove a geração de pares elétrons-buracos. As AgNPrs promovem a produção de radicais na superfície do ZnO responsáveis pela degradação do RB5.

Decaimento máximo de absorbância em 597 nm analisado pela razão A ̸A0 por tempo de irradiação de radiação visível (400 – 700 nm). Dose = 45.604,4 LUX.

Conclusões

Análises de DRX, MET, PZ e FTIR confirmaram a obtenção nanoestruturas híbridas de ZnO-Ag para ambas as metodologias de síntese. Na fotodegradação do RB5 o fotocatalisador ZnO-Ag1 demonstrou maiores taxas de mineralização do poluente sob radiação visível (30%), enquanto, o ZnO-Ag2 obteve resultados menores de degradação (26%). Esta menor conversão para o ZnO-Ag2 foi atribuída possivelmente à menor quantidade de AgNPrs na superfície do ZnO. Ademais, a maior taxa de mineralização dos ZnO-Agx sob radiação visível em relação ao ZnO puro foi atribuída a Ressonância Plasmônica das AgNPrs.

Agradecimentos

Os autores são gratos ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pelo suporte financeiro.

Referências

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SANTOS, P. B.; SANTOS, J. J.; CORRÊA, C. C.; CORIO, P.; ANDRADE, G. F. S. Plasmonic photodegradation of textile dye Reactive Black 5 under visible light: a vibrational and electronic study. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, [s.l.], v. 371, p. 159–165, 2019.
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