Síntese e caracterização de óxidos e titanatos à base de cálcio e magnésio para degradação fotocatalítica da rodamina B: um estudo comparativo

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 3615 (2023) Citar este artigo

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A presente investigação trata da síntese simples e ecológica de CaO, MgO, CaTiO3 e MgTiO3 para a dilapidação fotocatalítica do corante rodamina B. O CaO foi obtido a partir de resíduos de casca de ovo de galinha por processo de calcinação, enquanto o MgO foi produzido pelo método de combustão em solução utilizando uréia como fonte de combustível. Além disso, CaTiO3 e MgTiO3 foram sintetizados através de um método de estado sólido fácil e simples, misturando completamente o CaO ou MgO sintetizado com TiO2 antes da calcinação a 900 °C. As investigações de XRD e EDX confirmaram a formação de fases dos materiais. Além disso, os espectros de FTIR revelaram a existência de Ca – Ti – O, Mg – Ti – O e Ti – O que se assemelha à composição química dos materiais propostos. Micrografias SEM revelaram que a superfície do CaTiO3 é mais áspera com partículas relativamente dispersas em comparação com o MgTiO3, refletindo uma maior área superficial de CaTiO3. Investigações de espectroscopia de refletância difusa indicaram que os materiais sintetizados podem atuar como fotocatalisadores sob iluminação UV. Consequentemente, o CaO e o CaTiO3 degradaram efetivamente o corante rodamina B em 120 min com uma atividade de fotodegradação de 63% e 72%, respectivamente. Em contrapartida, a atividade de degradação fotocatalítica do MgO e do MgTiO3 foi muito menor, uma vez que apenas 21,39 e 29,44% do corante foram degradados, respectivamente, após 120 min de irradiação. Além disso, a atividade fotocatalítica da mistura de titanatos de Ca e Mg foi de 64,63%. Essas descobertas podem ser valiosas para projetar fotocatalisadores potenciais e acessíveis para purificação de águas residuais.

Apesar de serem um dos poluentes mais nocivos, os corantes são amplamente utilizados nas indústrias de tecidos, alimentos, plásticos, química e tablóides. A sua descarga no ambiente aquático tem um sério impacto nos organismos vivos1,2. A cor reduz a penetração da luz solar através da água, resultando na diminuição da atividade fotossintética e no desenvolvimento da biota. Além disso, os corantes tendem a se ligar a íons metálicos, resultando em microtoxicidade em peixes e outros seres vivos1,3.

Normalmente, os corantes são pouco biodegradáveis ​​e difíceis de serem eliminados pelas abordagens convencionais. Nesse contexto, a rodamina B (RhB), que pertence à família dos xantenos, é um corante catiônico altamente estável devido à sua estrutura heterocíclica rígida4. De fato, a alta estabilidade do corante RhB é benéfica para diferentes aplicações industriais, porém, torna sua degradação não simples e desafiadora5,6,7. Como resultado, fornecer soluções eficientes, ecológicas e económicas para a decomposição de tais contaminantes é fundamental para a viabilidade a longo prazo dos habitats verdes. Isso resultou em uma ampla gama de técnicas empregadas para extrair corantes de águas residuais, incluindo adsorção8,9,10, ultrafiltração11, precipitação química12, quebra eletrocatalítica13 e fotodegradação3,14,15,16.

A degradação fotocatalítica é potencialmente uma das técnicas mais baratas, verdes e poderosas para a descontaminação da água a partir de corantes poluentes. Em outras palavras, condições extremamente oxidantes podem ser estabelecidas sem quaisquer reagentes adicionais necessários, sendo o único requisito o fornecimento de oxigênio aeróbico e uma fonte de irradiação luminosa17,18. Elétrons (e−), buracos (h+), radicais hidroxila (OH·) e radicais superóxido (O2·−) são todos espécies tensoativas que podem ser geradas por degradação fotocatalítica. A capacidade dos fotocatalisadores de gerar espécies tensoativas . Uma variedade de materiais com atividade catalítica foi proposta para a fotodegradação de poluentes como nitreto de carbono grafítico (g-C3N4), TiO2, ZnO, CdS, CaO, MgO, CaTiO3 e MgTiO3, apenas para citar alguns3,5,7 ,15,21,22,23,24,25,26.

Comparados ao TiO2, os óxidos do tipo perovskita baseados em titânio com fórmula estrutural ABO3 estão atraindo cada vez mais atenção na última década na fotocatálise devido às suas intrigantes propriedades fotofísicas. CaTiO3 e MgTiO3 são utilizados em uma vasta gama de aplicações, nomeadamente telecomunicações por radar, capacitores, termistores, eletrônica, cerâmica, supercondutores, óptica não linear, catálise, dispositivos piezoelétricos e dielétricos . Além disso, possuem alta atividade de degradação fotocatalítica para diferentes corantes orgânicos21,25. Ca e Mg estão entre os metais mais abundantes na Terra e seus óxidos também podem ser sintetizados a partir de resíduos. Isso os torna acessíveis para várias aplicações importantes. Vários métodos, como hidrotérmico, sol-gel, mecanoquímico, estado sólido tradicional e precursor polimérico, têm sido utilizados para a síntese de CaO, MgO, CaTiO3 ou MgTiO37,31,32,33,34. Deve-se enfatizar que a eficiência catalítica destes materiais é altamente dependente do procedimento sintético e de seus precursores, que obviamente têm um impacto direto na morfologia da superfície final, nos sítios ativos e nas propriedades físico-químicas. Além disso, o desempenho desses fotocatalisadores varia extremamente de um corante para outro7,25,35.