Desenvolvimento de nanobastões de Zn2GeO4 para aplicações fotocatalíticas
Data
2024-10-25
Autores
Conti, Mary Carmen Maté Durek de
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Resumo
Este estudo teórico-experimental, dividido em dois trabalhos, investiga as propriedades físicas e aplicações fotocatalíticas de nanobastões de germanato de zinco, Zn2GeO4 (ZGO), sintetizados hidrotermicamente. No primeiro trabalho, avaliou-se a influência do precursor de zinco (cloreto, nitrato e acetato de zinco) nas propriedades e aplicações do ZGO. A síntese hidrotérmica convencional resultou em materiais com morfologia uniforme de nanobastões, alta pureza e cristalinidade. O potencial zeta dos nanobastões variou de -13 mV a -16 mV, e as amostras mostraram variações nos valores de bandgap conforme os precursores utilizados. A estrutura cristalina romboédrica do ZGO é formada por clusters tetraédricos de [ZnO4] (atuando como modificador da rede) e [GeO4] (formador da rede). A análise da célula unitária revela variações significativas nos comprimentos de ligação dentro desses clusters, principalmente devido a pequenas distorções nas posições atômicas do oxigênio. A fotoluminescência e a atividade fotocatalítica das amostras foram atribuídas à presença de defeitos superficiais, como vacâncias de oxigênio. A fotocatálise, avaliada pela descoloração do corante azul de metileno sob irradiação UV por 180 minutos, ao aplicar inibidores de radicais oxidantes o resultado mostrou que radical hidroxila (•OH) é o principal oxidante, com outras espécies reativas de oxigênio (EROs) atuando como coadjuvantes. O fotocatalisador exibiu alta estabilidade e eficiência (~97%) em múltiplos ciclos, além de baixo impacto fitotóxico. Adicionalmente, este trabalho explora, pela primeira vez na literatura, a aplicação do ZGO como catalisador em reações multicomponentes para a síntese de isoxazol-5(4H)-onas apresentou rendimento entre 82 – 92%, com a atividade catalítica diretamente relacionado à acidez superficial do ZGO, ZGO-N < ZGO-C < ZGO-A. Por fim, o estudo também inclui esforços teóricos pioneiros, utilizando modelos realistas para aprimorar a compreensão do design de nanobastões de ZGO com morfologia controlada. No segundo trabalho, investigou-se como diferentes concentrações de etilenoglicol (EG), utilizado como solvente durante o processo hidrotérmico, influenciam o crescimento e as propriedades estruturais, ópticas e fotocatalíticas dos nanobastões de ZGO. Os resultados de difração de raios X (DRX) confirmaram a presença de ZGO com estrutura romboédrica fenacita em amostras preparadas com 0%, 25%, 50%, e 75% de EG. No entanto, a amostra preparada com 100% de EG apresentou halos amorfos que não foi possível identificar a quais estruturas pertencem, porém podemos afirmar pela área do difratograma que 68,73% se refere à fase ZGO e 31,27 a esta fase amorfa. O acréscimo do EG levou à diminuição do tamanho dos cristalitos e da cristalinidade. A técnica de espalhamento dinâmico de luz revelou que partículas menores foram obtidas com o aumento da concentração de EG, e resultou em um potencial zeta mais negativo, favorecendo a dispersibilidade. As análises de BET/BHJ indicaram uma tendência geral de aumento da área de superfície com o aumento da concentração de EG, como esperado. As análises de espectroscopia FTIR e Raman detectou bandas associadas ao EG na superfície do ZGO. A espectroscopia de fotoluminescência foi empregada para estudar a cinética de foto-oxidação do EG adsorvido na superfície dos nanobastões de ZGO. Os resultados revelaram que a degradação do EG segue os modelos cinéticos de pseudo segunda ordem e de difusão parabólica. O modelo pseudo segunda ordem indica que a adsorção de EG na superfície do ZGO ocorre predominantemente por fisissorção, e a degradação do EG é desencadeada pela irradiação contínua e aquecimento do laser. Enquanto que o modelo de difusão parabólica elucida a etapa limitante da taxa de degradação do EG, demonstrando que a transferência de elétrons é controlada pela difusão de moléculas de EG para os sítios ativos na superfície do ZGO. Além disso, o estudo também avaliou a atividade fotocatalítica desses materiais em solução, demonstrando que a amostra ZGO-0 apresentou uma capacidade superior de descoloração tanto do azul de metileno e da rodamina B, em comparação com as outras amostras. Para entender melhor a relação entre a estrutura/propriedade desses materiais em nanoescala, também realizamos cálculos da teoria do funcional da densidade (DFT) em condições periódicas. Em suma, os resultados desses estudos demonstram a importância do controle preciso dos parâmetros de síntese para otimizar as propriedades em nanoescala do ZGO, abrindo caminho para novas aplicações em áreas como (foto)catálise.
Descrição
Palavras-chave
Nanobastões, Síntese hidrotérmica, Semicondutor, Cálculos DFT, Fotoluminescência, Fotocatálise, Química inorgânica