Obtenção, caracterização e utilização de fibras nanoestruturadas de Tio2 dopadas com tungstênio como fotocatalisadores

Abstract

A aplicabilidade de nanomateriais em catálises, células solares, células combustíveis, membranas, baterias de hidrogênio, materiais estruturais que requerem elevada resistência mecânica, nanoeletrônicos, sensores, em dispositivos ópticos, magnetos eletrônicos, engenharia de tecidos e biossensores, estão cada vez mais frequentes, em virtude de propiciarem produtos finais mais eficazes, leves e de baixo custo. A preferência em se utilizar as fibras, ao invés de compostos cerâmicos com dimensões tradicionais, nas mais diversas aplicações, se deve ao fato de entre os nanomateriais, as fibras serem uma das nanoestruturas unidimensionais que mais têm chamado atenção, em razão de sua: flexibilidade, propriedades ópticas e capacidade de interação com outras áreas da ciência. Esta relação multidisciplinar promove o desenvolvimento de novas técnicas de produção, associando o entendimento de suas propriedades ao emprego destes novos materiais. Neste trabalho fibras nanoestruturadas de TiO2 e de TiO2/WO3 foram obtidas por electrospinning e tratadas termicamente entre 650 ºC e 800 ºC em um forno tipo mufla. A técnica de difração de raios X (DRX) foi empregada na determinação da estrutura cristalina e tamanho de cristalito. A morfologia das fibras nanoestruturadas TiO2 e de TiO2/WO3 foi observada por meio de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e, a atividade fotocatalítica foi analisada através de ensaios de fotodegradação de 125 mL de uma solução 20 ppm do corante alaranjado de metila. Os resultados apontam que as fibras nanoestruturadas de TiO2 misturadas ao tungstênio (H2WO4) apresentaram-se mais eficientes na descoloração do corante alaranjado de metila, indicando uma maior atividade catalítica destas amostras em comparação com um catalisador padrão P25 e as amostras de TiO2. A presença de tungstênio aumentou a eficiência fotocatalítica dos materiais, inibiu da recombinação do par elétron/lacuna [(e)/(h+ )], permitindo a transferência de cargas entre o TiO2 e o WO3. A elevação da temperatura de tratamento térmico possibilitou que as vacâncias de O2 adquirissem a mobilidade necessária para passar para um estado desordenado na rede, aumentando a capacidade de degradação das amostras.

The applicability of nanomaterials in catalysis, solar cells, fuel cells, membranes, hydrogen batteries, structural materials requiring high mechanical strength, nanoelectronics, sensors, in optical devices, electronic magnets, tissue engineering and biosensors, are becoming more and more frequent, because they provide more effective, lightweight and low-cost end products. The preference in using fibers, instead of ceramic compounds with traditional dimensions, in the most diverse applications, is due to the fact that among nanomaterials, fibers are one of the one-dimensional nanostructures that have called more attention, due to their: flexibility, optical properties and ability to interact with other areas of science. This multidisciplinary relationship promotes the development of new production techniques, associating the understanding of their properties to the use of these new materials. In this work nanostructured fibers of TiO2 and TiO2/WO3 were obtained by electrospinning and heat treated between 650 ºC and 800 ºC in a muffle furnace. The X-ray diffraction technique (XRD) was used to determine the crystalline structure and size of crystals. The morphology of the nanostructured TiO2 and TiO2/WO3 fibers was observed by scanning electron microscopy (SEM), and the photocatalytic activity was analyzed by photodegradation tests of 125 mL of a 20-ppm solution of the orange methyl dye. The results indicate that the nanostructured fibers of TiO2 mixed with tungsten (H2WO4) were more efficient in discoloring the methyl orange dye, indicating a higher catalytic activity of these samples compared to a standard P25 catalyst and the TiO2 samples. The presence of tungsten increased the photocatalytic efficiency of the materials, inhibited the recombination of the electron/lacmon pair [(e)/(h+)], allowing the transfer of charges between TiO2 and WO3. The elevation of the heat treatment temperature allowed the O2 vacancies to acquire the necessary mobility to pass to a disordered state in the network, increasing the degradation capacity of the samples.