Fotocatálise de corantes por filmes de ZnO dopados com Al: avaliação de desempenho e aplicações

Abstract

O ZnO é um composto inorgânico cristalino semicondutor, caracterizado por sua estrutura wurtzita hexagonal, elevada estabilidade térmica e ampla energia de band gap (~3,37 eV). Sendo amplamente estudado devido às suas propriedades de alta excitonicidade a temperatura ambiente e a alta transparência óptica, o que fazem dele um material atrativo para diversas aplicações. Determinadas propriedades e aplicação do ZnO podem ser avaliadas no material disposto na forma de pós, bulks ou filmes finos em função de diversos parâmetros, incluindo condições de síntese, precursores e dopantes. Nesta conjuntura, este trabalho mostra resultados de um estudo sobre a capacidade de filmes finos de ZnO e ZnO dopado com Al para aplicações na fotocatálise do corante orgânico azul de metileno. Os filmes finos foram preparados usando a técnica de deposição por magnetron sputtering. Foram utilizados alvos cerâmicos de ZnO e ZnO dopado com 1, 2 e 3% (mol) de Al, nomeados como AZO1, AZO2 a AZO3, respetivamente. A deposição dos filmes foi realizada durante um tempo de 30min e 60min em substrato de vidro e silício sob rotação e em temperatura ambiente, usando gás argônio como atmosfera inerte. Os filmes foram caracterizados por várias técnicas e testados na fotocatálise com o corante de azul de metileno (AM). Os resultados mostraram que todos os filmes possuem atividade fotocatalítica. Entretanto, a dopagem com Al tende a diminuir a sensibilidade dos filmes finos aplicados à fotocatálise do corante AM. Estes resultados podem estar associados a um equilíbrio entre separação de cargas, absorção de luz e área ativa, que é mais evidente para os filmes ZnO, tanto nos tempos de 30 e 60min de deposição. Para o tempo de deposição de 30min os filmes que apresentaram resultados foram os de óxido de zinco dopado com 3% de alumínio (AZO3) e óxido de zinco dopado com 1% de alumínio (AZO1). O filme de óxido de zinco dopado com 2% de alumínio (AZO2) AZO2 apresentou desempenho inferior quando comparado aos demais, que pode ser devido a um excesso de defeitos e recombinação de cargas. Enquanto no tempo de deposição de 60min os filmes que apresentarem melhores resultados foram os de óxido de zinco dopado com 1% de alumínio (AZO1), óxido de zinco dopado com 2% de alumínio (AZO2). O filme de óxido de zinco dopado com 3% de alumínio (AZO3) AZO3 apresentou desempenho inferior na atividade fotocatalítica.

ZnO is an inorganic crystalline semiconductor compound characterized by its hexagonal wurtzite structure, high thermal stability, and wide band gap energy (~3.37 eV). It has been widely studied due to its strong excitonic properties at room temperature and high optical transparency, which make it an attractive material for various applications. Certain properties and applications of ZnO can be evaluated when the material is in the form of powders, bulks, or thin films, depending on several parameters including synthesis conditions, precursors, and dopants. In this context, this work presents the results of a study on the capability of ZnO and Al-doped ZnO thin films for the photocatalysis of the organic dye methylene blue. The thin films were prepared using the magnetron sputtering deposition technique. Ceramic targets of ZnO and ZnO doped with 1, 2, and 3% (mol) of Al were used, named AZO1, AZO2, and AZO3, respectively. The deposition of the films was carried out for 30 and 60 minutes on glass and silicon substrates under rotation and at room temperature, using argon gas as an inert atmosphere. The films were characterized by several techniques and subjected to photocatalysis using methylene blue (MB) dye. The results showed that all films exhibited photocatalytic activity. However, Al doping tends to decrease the sensitivity of the thin films applied to the photocatalysis of MB dye. These results may be associated with a balance between charge separation, light absorption, and active surface area, which is more evident for ZnO films at both 30 and 60 minutes of deposition. For the 30-minute deposition time, the films that showed the best results were those of zinc oxide doped with 3% aluminum (AZO3) and zinc oxide doped with 1% aluminum (AZO1). The zinc oxide film doped with 2% aluminum (AZO2) showed lower performance compared to the others, which may be due to an excess of defects and charge recombination. For the 60-minute deposition time, the films that presented the best results were those of zinc oxide doped with 1% aluminum (AZO1) and zinc oxide doped with 2% aluminum (AZO2). The zinc oxide film doped with 3% aluminum (AZO3) showed inferior photocatalytic activity.