Síntese verde assistida por micro-ondas de perovskita CaTiO3 e pontos quânticos de carbono para geração de combustíveis solares

Abstract

Este estudo investigou a síntese química assistida por micro-ondas de pontos quânticos de carbono (CQD’s/c-dots) e da perovskita CaTiO3, caracterizando suas estruturas por difração de raios X, espectroscopia de fluorescência e microscopia eletrônica de transmissão, com o objetivo principal de avaliar seu potencial na foto geração de O2 e H2 através de processos fotoquímicos. Na síntese dos CQD’s, o íon cúprico (5 mM) se mostrou o promotor de reação mais eficiente, resultando em CQDs com diâmetro médio de 2,7 nm e alta estabilidade fluorescente em solução aquosa por até um mês, com emissão máxima a 467 nm para excitação em 390 nm; em testes fotocatalíticos de water splitting, a proporção de P25:c-dot de 1:0,5 gerou as maiores Ftaxas de H2 (7,2 μmol/gh) e O2 (90,6 μmol/gh). A síntese da perovskita CaTiO3, embora bem-sucedida, apresentou impurezas como CaCO3 e TiO2 não convertido, que elevaram o band gap para 3,7 eV (superior à perovskita pura de 3,5 eV); testes preliminares de fixação fotoquímica de N2 com CaTiO3 sob irradiação UV-Vis produziram O2 e pequenas quantidades de H2, e a detecção de íons nitrato e nitrito após cinco horas de irradiação sugere a presença de processos de foto oxidação da molécula de N2. Em conclusão, a síntese assistida por micro-ondas é uma técnica eficiente e versátil para a produção de nanoestruturas com potencial aplicação em fotocatálise, e os materiais sintetizados, tanto os CQD’s quanto a perovskita CaTiO3, mostram-se promissores em processos de conversão de energia, como a produção de hidrogênio, e na degradação de contaminantes orgânicos, alinhando-se aos princípios da Química Verde.

This study investigated the microwave-assisted chemical synthesis of carbon quantum dots (CQDs/c-dots) and CaTiO3 perovskite, characterizing their structures using X-ray diffraction, fluorescence spectroscopy, and transmission electron microscopy, with the primary objective of evaluating their potential for photogenerating O2 and H2 through photochemical processes. For the synthesis of CQDs, the cupric ion (5mM) proved to be the most efficient reaction promoter, yielding CQDs with an average diameter of 2.7 nm and high fluorescent stability in aqueous solution for up to one month, exhibiting maximum emission at 467 nm upon excitation at 390 nm; in photocatalytic water splitting tests, a P25:c-dot ratio of 1:0.5 generated the highest rates of H2 (7.2 μmol/gh) and O2 (90.6 μmol/gh). The synthesis of CaTiO3 perovskite, although successful, presented impurities such as CaCO3 and unconverted TiO2, which increased the band gap to 3.7 eV (superior to the 3.5 eV of pure perovskite); preliminary photochemical N2 fixation tests with CaTiO3 under UV-Vis irradiation produced O2 and small quantities of H2, and the detection of nitrate and nitrite ions after five hours of irradiation suggests complex photochemical reactions like the molecule N2 photooxidation occurrence . In conclusion, microwave-assisted synthesis is an efficient and versatile technique for producing nanostructures with potential application in photocatalysis, and the synthesized materials, both CQDs and CaTiO3 perovskite, show promise in energy conversion processes, such as hydrogen production, and in the degradation of organic contaminants, aligning with the principles of the Green Chemistry.