Heteroestruturas de Niobato de Sódio e Potássio dopadas com Tungstênio e Nitrogênio para a remediação de contaminantes orgânicos

Abstract

Partículas esféricas nanoestruturadas baseadas em niobato de sódio e potássio foram sintetizadas pelo método de spray pirólise ultrassônico e aplicadas em reações fotocatalíticas de degradação de corante (modelo de poluente ambiental) e na oxidação da molécula de água (geração de energia verde). O trabalho compreende o estudo em quatro etapas: (i) síntese do niobato de sódio e potássio (KNN), K0,5Na0,5NbO3, e síntese do niobato de sódio e potássio dopado com tungstênio (KNW), K0,5Na0,5(WxNb1-x)O3, onde x = 1–3 % em mol; (ii) síntese da heteroesttrutura autogerada in situ do sistema KNW/g-C3N4; (iii) Estudo fotocatalíticos dos pós obtidos nas etapas (i-ii) sobre a degradação do corante Basic Blue 41, como modelo de poluente ambiental; (iv) Estudo fotoeletrocatalítico dos pós obtidos nas etapas (i-ii) para geração de energia verde por meio da reação de evolução de oxigênio pela oxidação da molécula de água. Os sistemas destacados nas etapas (i) e (ii) foram sintetizados pelo método de síntese por spray pirólise, sendo obtidos pelo rápido tratamento térmico (600 – 700°C) de um aerossol produzido por pulverização ultrassônica da solução precursora (50 mmol L–1). Este método permitiu a obtenção de pós nanoestruturados, homogêneos em composição e em tamanho de partículas, além da geração in situ de heteroestruturas KNW/g-C3N4. Os pós foram caracterizados por difração de raios X (DRX), com o refinamento dos parâmetros estruturais pelo Método de Rietveld. Outras caracterizações foram realizadas por meio da espectroscopia vibracional de absorção na região do infravermelho (FTIR) e espectroscopia de absorção na região do ultravioleta-visível (DR|UV-Vis), e por microscopias eletrônicas de varredura (MEV) e de transmissão (MET). Além disso, a análise textural das partículas foi caracterizada por fisissorção de N2 pelo método de BET. As heteroestruturas autogeradas KNW/g-C3N4 foram caracterizadas por análise elementar CHN e por espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS). Por fim, estudos sistemáticos envolvendo processos fotocatalíticos, para degradação do corante Basic Blue 41, e fotoeletrocatalíticos, para evolução de oxigênio pela oxidação da molécula de água, foram conduzidos sob luz ultravioleta e visível e o mecanismo de reação foi estabelecido.

Nanostructured spherical particles based on sodium-potassium niobate were synthesized by ultrasonic spray pyrolysis method and applied in photocatalytic dye degradation reaction (environmental pollutant model) and water molecule oxidation (green energy generation). The work comprises a study in five steps: (i) synthesis of sodium-potassium niobate (KNN), K0.5Na0.5NbO3, and synthesis of tugsten-doped sodium-potassium niobate (KNW), K0.5Na0.5( WxNb1-x)O3, where x = 1–3 mol %; (ii) synthesis of the in situ self-assembled heterostructure of the KNW/g-C3N4 system; (iii) Photocatalytic study of the powders obtained in steps (i-ii) on the degradation of the Basic Blue 41 dye, as an environmental pollutant model; (iv) Photoelectrocatalytic study of the powders obtained in steps (i-ii) for the generation of green energy through the oxygen evolution reaction by the oxidation of the water molecule. The systems highlighted in steps (i) and (ii) were synthesized by the spray pyrolysis synthesis method, being obtained by the rapid thermal treatment (600 – 700°C) of an aerosol produced by ultrasonic spraying of the precursor solution (50 mmol L– 1). This method allowed obtaining nanostructured powders, homogeneous in composition and particle size, in addition to the insitu generation of KNW/g-C3N4 heterostructures. Powders were characterized by X-ray diffraction (XRD) with the refinement of the structural parameters by the Rietveld Method. Other characterizations were performed by spectroscopy in the infrared region (FTIR) and absorption spectroscopy in the ultraviolet-visible region (DR|UV-Vis), and by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). Furthermore, the textural analysis of the particles was characterized by N2 physisorption using the BET method. The self-assembled KNW/g-C3N4 heterostructures were characterized by CHN elemental analysis and by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Finally, systematic studies involving photocatalytic processes, for the degradation of the Basic Blue 41 dye, and photoelectrocatalytic processes, for the evolution of oxygen by the oxidation of the water molecule, were conducted under ultraviolet and visible light and the reaction mechanism was established.