Fabricação de nanoestruturas de TiO2/Fe2O3 dopadas com nitrogênio para oxidação fotocatalítica de águas residuais à base de metanol

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 4431 (2023) Citar este artigo

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Um importante processo industrial que frequentemente ocorre na superfície de um catalisador heterogêneo usando termoquímico ou fotoquímico poderia ajudar na oxidação de águas residuais à base de metanol em formaldeído. Os fotocatalisadores baseados em Titânia têm atraído muito interesse dos cientistas porque são um material catalisador confiável e acessível para processos de oxidação fotocatalítica na presença de energia luminosa. Neste estudo, foi realizado um método hidrotérmico direto para a produção de fotocatalisadores compostos n-TiO2@α-Fe2O3 e nanocubos de hematita (α-Fe2O3). Ajustando a proporção de n-TiO2 nos fotocatalisadores compósitos preparados, investigou-se a influência intensificadora da titânia dopada com nitrogênio nas características fotocatalíticas dos materiais preparados. Os materiais preparados foram minuciosamente caracterizados usando métodos físico-químicos comuns, como microscópio eletrônico de transmissão (TEM), microscópio eletrônico de varredura (MEV), difração de raios X (XRD), raios X de energia dispersiva (EDX), espectroscopia de fotoelétrons de raios X ( XPS), fisissorção (BET) e outros, a fim de aprender mais sobre a estrutura. Os resultados obtidos mostraram que a titânia dopada com nitrogênio supera a titânia não dopada na fotooxidação do metanol. A adição de titânia dopada com nitrogênio às suas superfícies resultou em uma melhoria ainda maior nas taxas de fotooxidação do metanol acoplado à hematita. Ocorreu a fotooxidação do metanol na solução aquosa para simular sua concentração nas águas residuais. Após 3 h, os quatro por cento em peso do fotocatalisador n-TiO2@α-Fe2O3 apresentaram a maior taxa de produção de HCHO.

A remoção de poluentes da água, como aromáticos, materiais à base de petróleo, hidrocarbonetos clorados, pesticidas, inseticidas, compostos orgânicos voláteis (COV), corantes e outros materiais orgânicos utilizando processos de oxidação avançados (AOPs) é um método ambientalmente amigável1. Eles têm vida curta, pois dependem principalmente da produção de espécies reativas de oxigênio, como radicais hidroxila. Como resultado, interagem rápida e ativamente com uma variedade de espécies químicas, muitas das quais são difíceis de degradar1. Além disso, os POA têm sido utilizados para o tratamento de muitos tipos de águas residuais como uma tecnologia promissora que pode efetivamente reduzir as concentrações de contaminantes orgânicos recalcitrantes e os produtos de oxidação criados, como dióxido de carbono, água e orgânicos biodegradáveis, são termodinamicamente estáveis, tornando-os superiores a outras abordagens tradicionais2. Os AOPs contêm o processo de fotocatálise, que é crucial para um fotocatalisador coletar a luz solar . Então, na presença de várias faixas do espectro solar, esses fotocatalisadores têm sido utilizados com sucesso para resolver questões ligadas à poluição ambiental e às crises energéticas3,4.

Numerosos estudos como5 foram conduzidos sobre a oxidação fotocatalítica de compostos orgânicos em CO2. Recentemente, muitas novas nanopartículas foram fabricadas para aplicações ambientais6. O nanocatalisador e fotocatalisador mais popular ao mesmo tempo é o titânio (TiO2) porque está prontamente disponível e é estável sob uma variedade de configurações de reação7. Ser acionado exclusivamente pela luz UV é uma das maiores desvantagens do TiO2. É desejável ter fotocatalisadores que possam utilizar a radiação solar e a luz visível com menos energia. Com uma energia de banda proibida de 2,8 eV, o óxido de tungstênio (WO3) pode ser fotoativado pela luz azul (500 nm) e é um substituto adequado para o TiO2 como fotocatalisador. Para aumentar as taxas catalíticas, como é o caso de todos os fotocatalisadores, é necessário aumentar a separação de cargas de elétrons e buracos. Luz com energia suficiente é absorvida por fotocatalisadores de óxido metálico como WO38,9 e TiO2 para causar excitação de band gap e geração de elétrons reativos (e−) e buracos (h+), responsáveis ​​pelas reações catalíticas .