Heterojunção de WO₃/Nb₂O₅ suportado em FTO para degradação fotoeletrocatalítica de microesferas de polietileno em meio aquoso

Abstract

O presente trabalho investigou a construção e a aplicação de heterojunções de trióxido de tungstênio (WO₃) e óxido de nióbio (Nb₂O₅) em sistemas fotoeletrocatalíticos para o tratamento de água contaminada com microplásticos. Para isso, foi explorada a engenharia de heterojunções como estratégia para aprimorar as propriedades fotocatalíticas de materiais semicondutores e sua empregabilidade na remoção de microplásticos de modo mais econômico e sustentável. Misturas do compósito de WO₃, sintetizado pelo método hidrotermal, e de Nb₂O₅ comercial foram preparadas em diferentes proporções e transferidas para plataformas de FTO por impregnação. Os materiais FTO/x%Nb₂O₅/WO₃ foram caracterizados por métodos espectroscópicos, ópticos e eletroquímicos, indicando a condição de FTO/5%Nb₂O₅/WO₃ como a melhor condição para o eletrodo, devido apresentar bandgap intermediário entre o WO₃ puro e o Nb₂O₅, maior fotocorrente e morfologia definida, fatores que favorecem a separação de cargas e reduzem a recombinação de cargas. Reatores fotoeletrocatalíticos foram usados, nos quais o material compósito foi empregado como eletrodo de trabalho e irradiado por luz UV/Vis; um eletrodo de Ag/AgCl foi utilizado como referência e um eletrodo de Pt como contraeletrodo. Suspensões de polietileno em 0,1 mol L⁻¹ de Na₂SO₄ foram submetidas a 3 horas de tratamento, e os melhores resultados foram obtidos para o FTO/5%Nb₂O₅/WO₃ sob potencial de 0,8 V e incidência de luz UV/Vis. Nestas condições, o material promoveu cerca de 67% de remoção do contaminante, com consumo energético de 1,04×10⁻⁴ kWh m⁻³, valor bastante baixo em comparação com processos semelhantes reportados na literatura, evidenciando o bom desempenho e a viabilidade da heterojunção proposta.

The present work investigated the construction and application of tungsten trioxide (WO₃) and niobium oxide (Nb₂O₅) heterojunctions in photoelectrocatalytic systems for treating water contaminated with microplastics. To this end, heterojunction engineering was explored as a strategy to enhance the photocatalytic properties of semiconductor materials and their applicability in the removal of microplastics in a more economical and sustainable way. Mixtures of the WO₃ composite, synthesized by the hydrothermal method, and commercial Nb₂O₅ were prepared in different proportions and transferred onto FTO substrates by impregnation. The FTO/x%Nb₂O₅/WO₃ materials were characterized by spectroscopic, optical, and electrochemical methods, indicating FTO/5%Nb₂O₅/WO₃ as the best electrode condition, as it exhibited an intermediate bandgap between pure WO₃ and Nb₂O₅, higher photocurrent, and a defined morphology—factors that favor charge separation and reduce charge recombination. Photoelectrocatalytic reactors were used, in which the composite material served as the working electrode and was irradiated with UV/Vis light; an Ag/AgCl electrode was used as the reference and a Pt electrode as the counter electrode. Suspensions of polyethylene in 0.1 mol L⁻¹ Na₂SO₄ were subjected to 3 hours of treatment, and the best results were obtained for FTO/5%Nb₂O₅/WO₃ under a potential of 0.8 V and UV/Vis light irradiation. Under these conditions, the material promoted approximately 67% removal of the contaminant, with an energy consumption of 1.04×10⁻⁴ kWh m⁻³, a very low value compared to similar processes reported in the literature, highlighting the good performance and viability of the proposed heterojunction.