Síntese hidrotermal assistida por microondas do óxido de zinco dopado com bismuto e sua caracterização microestrutural, de propriedades físicas e atividade fotocatalítica

Abstract

A presença de defeitos intrínsecos na estrutura do óxido de zinco possibilita a sua dopagem com outros materiais, como o bismuto. O óxido de zinco dopado com bismuto (BZO) preparado via síntese hidrotermal assistida por microondas (MAHS) foi estudado em relação à sua concentração de dopante e caracterização morfológica. Para a síntese do BZO foi realizada pela reação de uma solução de nitrato de zinco (precursor) e nitrato de bismuto, usando com hidróxido de amônio para ajuste do pH. Para realizar a reação, a solução de nitrato de zinco foi foi aquecida em um microondas por intervalos de 5, 10 e 20 minutos a 200ºC. A dopagem foi realizada com 3 diferentes teores em massa nitrato de bismuto (1, 3 e 6%). Os produtos obtidos foram caracterizados por DRX, MEV e PL, assim como pelo cálculos de band gap por espectroscopia de transmissão. A atividade fotocatalítica foi analisada por ensaios de fotocatálise utilizando corantes orgânicos, azul de metileno (AM) e Rodamina B (RhB). Os resultados indicam que as nanoestruturas de BZO obtidas apresentam tamanhos de cristalitos variando de 5,82 a 8,37 nm. A estrutura morfológica, tipo flor, foi formada com diferentes concentrações de dopantes. Os resultados do PL demonstram que os defeitos aumentam com a dopagem do bismuto. O intervalo de band gap encontrado foi de 2,79 a 3,3 eV e tem potencial de uso em aplicações de fotodegradação. Neste sentido a dopagem de bismuto modificou positivamente o óxido de zinco, já que nos ensaios de fotocatálise, o BZO degradou ambos os corantes, sendo a amostra com 3% de dopagem de bismuto a que obteve os melhores resultados, chegando a degradar 68% do corante de Rodamina B em 1 hora.

Zinc oxide, due to the presence of intrinsic defects, allows doping with other materials, such as bismuth. BZO (zinc oxide doped bismuth), prepared by microwave assisted hydrothermal synthesis (MAHS), was studied dopant concentration and morphological characterization. For the synthesis, zinc nitrate was used as a precursor; for pH control, ammonium hydroxide was used. After the solution was heated in a microwave for 5, 10 and 20 minutes at 200 ° C. Doping was performed with 3 different mass contents of bismuth nitrate (1, 3 and 6%). The products were characterized by DRX, MEV and PL; Band gap calculations by transmission spectroscopy. The photocatalytic activity was analyzed by photocatalysis using organic dyes, methylene blue (AM) and Rhodamine B (RhB). The results indicate that BZO nanostructures were obtained with crystallite sizes ranging from 5.82 to 8.37 nm. The same morphological structure, flower type, was formed with different dopants concentrations. PL demonstrates that defects increase with doping of bismuth. The band gap found was from 2.79 to 3.3 eV and has potential use in photodegradation applications. In this sense, the bismuth doping positively modified the zinc oxide, in the photocatalysis tests BZO degraded both dyes, being the sample with 3% doping of bismuth that obtained the best results, reaching to degrade 68% of the Rhodamine B dye in 1 hour.