Estudo da influência do solvente de síntese nas propriedades fotoluminescentes e fotocatalíticas de nanocristais de óxido de cério

Abstract

Neste trabalho, focou-se na compreensão do efeito na morfologia e propriedades fotocatalíticas de nanocristais de CeO2 sintetizados usando diferentes solventes: acetona e etanol. O método de síntese foi o solvotérmico assistido por micro-ondas, para o qual foi utilizado 5,046g do reagente Ce(NO3)3.6H2O e as amostras obtidas foram caracterizadas morfológica, ótica e magneticamente. As construções de Wulff revelam um mapa de morfologias disponíveis e uma correspondência teórico-experimental com nanopartículas octaédricas obtidas por síntese usando etanol como solvente. Pela deconvolução dos espectros fotoluminescentes obtidos, percebe-se que os nanocristais sintetizados em acetona apresentam maior contribuição de picos de emissão na região azul (~450nm), o que pode estar associado a uma maior concentração de Ce3+, originando defeitos de nível raso dentro da rede de CeO2, enquanto para as amostras sintetizadas em etanol, uma forte emissão laranja-vermelho (~595 nm) sugere que as vacâncias de oxigênio podem originar defeitos de nível profundo dentro da região de banda proibida. Além disso, a análise da degradação fotocatalítica de rodamina-B mostrou que o CeO2 sintetizado em acetona apresenta resposta superior em comparação com o sintetizado em etanol, o que pode estar associado a um aumento na desordem de curto/longo alcance dentro da estrutura do CeO2 sintetizado em acetona, causando a diminuição do valor de bandgap e facilitando a absorção de luz. A estabilidade da superfície (100) nas amostras sintetizadas em etanol pode estar relacionada à sua inferior atividade fotocatalítica. Por fim, o mecanismo de atividade fotocatalítica foi proposto, sugerindo que as amostras sintetizadas em acetona tendem a ter uma menor recombinação de pares e- / h⦁, o que se reflete em sua maior resposta fotocatalítica. Concluiu-se, portanto, que, tratando-se das sínteses hidrotérmica e solvotérmica, assistidas ou não por micro-ondas, a variação do solvente de síntese pode provocar alterações nas propriedades dos nanocristais sintetizados.

In this study, we focused on understanding the effect of morphology and photocatalytic properties of CeO2 nanocrystals synthesized using different solvents: acetone and ethanol. Microwave-assisted solvothermal synthesis was used, and 5.046g of Ce(NO3)3.6H2O was used as a reagent. The obtained samples were morphologically, optically, and magnetically characterized. The Wulff constructions obtained reveal a map of available morphologies and a theoretical-experimental match with octahedral nanoparticles obtained using ethanol as a solvent. By the deconvolution of the photoluminescence spectra obtained, it was found that nanocrystals synthesized in acetone show a higher contribution of emission peaks in the blue region (~450nm), which may be associated with a higher concentration of Ce3+ , originating shallow-level defects within the CeO2 lattice, while for samples synthesized in ethanol, a strong orange-red emission (~595 nm) suggests that oxygen vacancies may originate from deep-level defects within the optical bandgap region. In addition, the analysis of the photocatalytic degradation of rhodamine-B showed that CeO2 synthesized in acetone exhibits superior response compared to that synthesized in ethanol, which may be associated with an increase in short/long-range disorder within the CeO2 structure synthesized in acetone, causing the bandgap value to decrease facilitating light absorption. The surface stability (100) in samples synthesized in ethanol may be related to their inferior photocatalytic activity. Finally, a mechanism of photocatalytic activity was proposed, suggesting that samples synthesized in acetone tend to have lower e- / h⦁ pair recombination, which is reflected in their higher photocatalytic response. It was concluded, therefore, that variations in the solvent used in the hydrothermal and solvothermal syntheses, with or without microwave assistance, can cause changes in the properties of the synthesized nanocrystals.