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Type: Tese
Title: Estudo da fotodegradação dos corantes reactive black 5, azul de metileno e cristal violeta por irradiação no visível utilizando catalisadores plasmônicos híbridos nanoestruturados
Author: Santos, Patrícia Barros
First Advisor: Andrade, Gustavo Fernandes Souza
Referee Member: Polo, André Sarto
Referee Member: Valsecchi, Chiara
Referee Member: Costa, Luiz Antonio Sodré
Referee Member: Oliveira, Marcone Augusto Leal de
Resumo: O presente trabalho de doutorado foi dedicado ao estudo de novos fotocatalisadores plasmônicos nanoestruturados e sua aplicação em processos de fotodegradação de corantes orgânicos, utilizando irradiação no visível. Foi realizada a síntese de nanopartículas plasmônicas de prata (AgNP), bimetálicas (Au@Ag) e de Cobre (CuNP), bem como o óxido de Zinco (ZnO). Os catalisadores híbridos metal-semicondutor, foram obtidos através da associação das nanopartículas metálicas com ZnO (NP/ZnO) e pentóxido de nióbio comercial (NP/Nb2O5). A caracterização dos fotocatalisadores foi realizada através das técnicas de espectroscopia Raman, UV-VIS, DRX de policristais, MEV e potencial-ξ. Os processos de fotodegradação foram realizados em um reator labmade, contendo solução de corante (1,0×10- 5 mol L-1 ), que foi irradiada utilizando lâmpada de LED branca (15 W) e ∕ ou incandescente (100 W) como fontes de irradiação no visível. O fotocatalisador Ag/ZnO do tipo A, foi aplicado na fotodegradação no visível do corante Reactive Black 5, sob incidência de lâmpada incandescente de filamento de tungstênio. O processo foi monitorado através de espectroscopia eletrônica no UV-VIS, espectroscopia vibracional Raman ressonante (RR) e intensificada por superfície (SERS), sendo possível observar mudanças espectrais relacionadas à possível formação de intermediários e produtos. O catalisador plasmônico apresentou desempenho fotocatalítico 40% maior do que o óxido semicondutor puro, promovendo uma fotodegradação 57% mais rápida, indicando a influência do metal plasmônico na melhor eficiência do processo. A Química computacional, através do método DFT, foi utilizada no estudo do equilíbrio azohidrazo do RB5 e na proposta do mecanismo de degradação do corante, assistido por radicais hidroxila. Os resultados teórico-experimentais indicaram predominância da forma hidrazo em solução. O mecanismo proposto indicou favorecimento ao ataque C-N, na região do equilíbr io azo-hidrazo, originando um perfil de curva de energia favorável termodinamicamente e cineticamente. Catalisadores Ag/ZnO (Tipo B) com três diferentes concentrações de AgNP foram aplicados na fotodegradação dos corantes RB5 (aniônico), Azul de Metileno e Cristal Violeta (ambos catiônicos), sob incidência de lâmpada de LED. O potencial-ξ dos catalisadores indicou carga superficial negativa para todas as amostras. Os catalisadores foram ineficientes na fotodegradação do corante RB5. Para os corantes catiônicos, por outro lado, o catalisador com menor concentração de AgNP (B210) apresentou eficiência 10% (AM) e 29% (CV) maior do que na presença de ZnO puro, comprovando a influência do metal plasmônico na intensificação da fotodegradação no visível. O monitoramento dos processos utilizando espectros UV-VIS e SERS apresentou mudanças estruturais mais significativas nos processos envolvendo o corante CV. Através de ajustes cinéticos de pseudo-primeira ordem, concluiu-se que a fotocatálise plasmônica do corante CV foi 87% mais rápida, quando comparada com o processo na presença de ZnO puro.
Abstract: The present doctorate work was dedicated to studying new nanostructured plasmonic photocatalysts and their application in photodegradation processes of organic dyes, using irradiation with visible light. Silver (AgNP), bimetallic (Au@Ag), and copper (CuNP) plasmonic nanoparticles were synthesized, as well as zinc oxide (ZnO). The hybrid metalsemiconductor catalysts were obtained through the association of metallic nanoparticles with ZnO (NP/ZnO) and commercial niobium pentoxide (NP/Nb2O5). The characterization of photocatalysts was performed using Raman spectroscopy, UV-VIS, polycrystalline XRD, SEM, and ξ-potential techniques. The photodegradation processes were carried out in a labmade reactor containing aqueous dye solution (1.0×10-5 mol L-1 ), which was irradiated using a white (15 W) LED lamp and∕or incandescent (100 W) as sources of irradiation in the visible. The type A Ag/ZnO photocatalyst was applied to the visible photodegradation of the dye Reactive Black 5, under the incidence of a tungsten filament incandescent lamp. The process was monitored by electronic spectroscopy in UV-VIS, resonant Raman (RR), and surface enhanced Raman spectroscopy (SERS), and it was possible to observe spectral changes related to the formation of intermediates and products. The plasmonic catalyst showed a photocatalytic performance 40% higher than the pure semiconductor oxide, promoting a 57% faster photodegradation, indicating the influence of the plasmonic metal in the better efficiency of the process. Computational chemistry, through the DFT method, was used in the study of the RB5 azo-hydrazo balance as well as in the proposal of the dye degradation assisted by hydroxyl radicals mechanism. The theoretical-experimental results indicated a predominance of the hydrazo form in solution. The proposed mechanism indicated favoring of the C-N attack, in the region of azo-hydrazo equilibrium, giving rise to a energy profile favorable both thermodynamically and kinetically. The type B Ag/ZnO catalysts with three different concentrations of AgNP were applied to the photodegradation of RB5 (anionic), Methylene Blue (MB) and Crystal Violet (CV) (both cationic) dyes under the LED lamp. The ξ-potential of the photocatalysts indicated a negative surface charge for all samples. The catalysts were inefficient in the photodegradation of the RB5 dye. For both cationic dyes, the catalyst with the lowest concentration of AgNP (B210) showed efficiency 10% (MB) and 29% (CV) higher than in the presence of pure ZnO, proving the influence of plasmonic metal in the intensification of visible photodegradation. The monitoring of the processes using UV-VIS and SERS spectra showed more significant structural changes in the processes involving the CV dye. Through pseudo-first order kinetic adjustments, it was concluded that the plasmatic photocatalysis of the CV dye was 87% faster when compared to the process in the presence of pure ZnO.
Keywords: Fotocatálise
Plasmônica
SERS
Corantes
DFT
Photocatalysis
Plasmonics
Dyes
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Química
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/11918
Issue Date: 4-Sep-2020
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