Síntese hidrotermal assistida por micro-ondas do niobato de potássio dopado com vanádio e sua caracterização microestrutural e de propriedades ópticas para aplicação em fotocatálise

Abstract

Nos últimos anos, a presença de fármacos como contaminantes da água, ar e solo está se tornando alarmante. Dentre esses fármacos, destaca-se o Norfloxacino (NOR), um antibiótico da classe das fluoroquinolonas de segunda geração, que tem difícil detecção e remoção por intermédio de tratamentos convencionais. Por este motivo faz-se necessário outros tipos de soluções de tratamento, especialmente soluções combinadas de tratamentos com materiais tecnológicos aplicados aos sistemas avançados. Neste sentido, este trabalho investigou a obtenção de KNbO3 dopado com vanádio (V5+) por síntese hidrotermal assistida por micro-ondas, visando sua aplicação como catalisador para degradação do NOR por fotocatálise heterogênea. Foram utilizados como reagentes Nb2O5 e KOH, e V2O5 como doping, em meio aquoso, à temperatura de 180 º C por 30 min. Foram investigadas as concentrações molares do dopante de 0,1; 0,5; 1,0; 2,5 e 5%. A análise por DRX dos produtos obtidos corrobora que a estrutura do KNbO3 foi dopada com vanádio. Foi possível observar espectros com bandas KNbO3 características em simetria ortorrômbica em todas as composições da espectroscopia Raman. A partir das imagens por MET, verificou-se uma variação da forma e tamanho das partículas em função das concentrações de dopante. Além disso, o band gap aumentou gradualmente de 3,33 para 3,52 eV com o aumento da concentração de V5+ na estrutura do KNbO3. Para a investigação de seu uso na fotodegradação de NOR, o material foi irradiado com luz UV em um reator fotocatalítico. Verificou-se que não houve degradação de NOR sem o uso de catalisador. O resultado mais significativo foi obtido a uma taxa de degradação média em cerca de 96%, aos 60 min, para a dopagem de 0,1% molar. A menor adição de vanádio provoca distorções na rede cristalina de forma favorável na degradação da molécula-modelo NOR, enquanto uma maior quantidade, perturba a rede aumentando o band gap, dificultando o transporte eletrônico entre as bandas BC e BV, a formação do par elétron-lacuna (e-/h+), bem como dos pontos redox na superfície do catalisador. Os subprodutos encontrados após a fotodegradação foram identificados por cromatografia líquida. Foi possível concluir que as nanoestruturas de KNbO3 dopado com V5+ proporcionam uma ampla eficiência na degradação do contaminantes NOR.

In recent years, the presence of pharmaceuticals as contaminants in water, air and soil has become alarming. Among these drugs is Norfloxacin (NOR), an antibiotic from the second generation fluoroquinolone class, which is difficult to detect and remove using conventional treatments. For this reason, other types of treatment solutions are necessary, especially combined treatment solutions with technological materials applied to advanced systems. In this sense, this work investigated the production of KNbO3 doped with vanadium (V5+) by microwave-assisted hydrothermal synthesis, applying it as a catalyst for the degradation of NOR by heterogeneous photocatalysis. Nb2O5 and KOH were used as reagents, with V2O5 as doping, in an aqueous medium at 180ºC for 30 min. Molar concentrations of the dopant of 0.1, 0.5, 1.0, 2.5 and 5% were investigated. XRD analysis of the products obtained corroborates that the KNbO3 structure was doped with vanadium. It was possible to observe spectra with characteristic KNbO3 bands in orthorhombic symmetry in all the Raman spectroscopy compositions. The TEM images showed a variation in the shape and size of the particles as a function of dopant concentration. In addition, the band gap gradually increased from 3.33 to 3.52 eV as the concentration of V5+ in the KNbO3 structure increased. To investigate its use in the photodegradation of NOR, the material was irradiated with UV light in a photocatalytic reactor. It was found that there was no degradation of NOR without the use of a catalyst. The most significant result was obtained at an average degradation rate of around 96% at 60 minutes for 0.1% molar doping. The smallest addition of vanadium causes distortions in the crystal lattice that are favorable for the degradation of the NOR model molecule, while a larger amount disturbs the lattice by increasing the band gap, hindering electronic transport between the CB and VB bands, the formation of the electron-lacuna pair (e-/h+) and the redox points on the catalyst surface. The by-products found after photodegradation were identified by liquid chromatography. It was concluded that the KNbO3 nanostructures doped with V5+ provide ample efficiency in the degradation of NOR contaminants.