Nanopartículas e microcubos de SrTiO3:Pr, Al, La Na fotodegradação de corantes orgânicos

Abstract

Como um representante dos óxidos metálicos compostos do tipo perovskita, o titanato de estrôncio (SrTiO₃) apresenta vantagens como estabilidade química, baixa toxicidade e custo reduzido, o que lhe confere potencial significativo para aplicações em remediação ambiental, geração de energia limpa e produção de produtos químicos valiosos a partir da conversão de gases de efeito estufa. Contudo, o SrTiO₃ puro apresenta várias limitações, especialmente a larga energia da banda proibida e a baixa eficiência de separação de pares elétron-buraco criados pela excitação fotoinduzida dos elétrons, o que limita seu desempenho fotocatalítico e suas aplicações em larga escala. Para superar esse problema, a estrutura eletrônica e físico-química do SrTiO₃ tem sido modificada, em particular através de dopagem ou co-dopagem por diferentes tipos de íons. Ademais, a metodologia de preparação, a morfologia e o tamanho de partículas do SrTiO₃ apresentam influência na formação de defeitos que podem ocasionar alterações na absorção óptica e na atividade fotocatalítica. Nesse contexto, o presente estudo aborda a síntese de nanopartículas baseadas na estrutura perovskita do titanato de estrôncio (SrTiO₃). Com o objetivo de modular suas propriedades ópticas e eletrônicas, foi empregada uma estratégia de co-dopagem. Foram investigados dois sistemas principais: SrTiO₃ co-dopado com Praseodímio (Pr) e Lantânio (La), e um segundo sistema de SrTiO₃ co-dopado com Praseodímio (Pr) e Alumínio (Al), visando comparar o efeito dos diferentes íons co-dopantes. Neste trabalho, foram utilizados métodos de preparação, como o método de co-precipitação hidrotermalizado e o método dos precursores poliméricos. Dessa forma a atividade fotocatalítica das amostras sintetizadas foi avaliada por meio da degradação do corante RhB (C₂₈H₃₁ClN₂O₃) em solução aquosa, sob irradiação. A eficiência do processo foi determinada quantitativamente pelo acompanhamento da concentração do corante ao longo do tempo. Para isso, alíquotas foram coletadas em intervalos regulares e analisadas por espectrofotometria de absorção no ultravioleta-visível (UV-Vis), monitorando-se a variação da intensidade da banda de absorção em seu comprimento de onda máximo (λₘₐₓ).

As a representative of perovskite-type composite metal oxides, strontium titanate (SrTiO₃) presents advantages such as chemical stability, low toxicity, and reduced cost, which gives it significant potential for applications in environmental remediation, clean energy generation, and the production of valuable chemicals from the conversion of greenhouse gases. However, pure SrTiO₃ has several limitations, especially its wide band gap energy and the low separation efficiency of electron-hole pairs created by the photoinduced excitation of electrons, which limits its photocatalytic performance and its large-scale applications. To overcome this problem, the electronic and physicochemical structure of SrTiO₃ has been modified, particularly through doping or co-doping with different types of ions. Furthermore, the preparation methodology, morphology, and particle size of SrTiO₃ influence the formation of defects that can cause alterations in optical absorption and photocatalytic activity. In this context, the present study addresses the synthesis of nanoparticles based on the perovskite structure of strontium titanate (SrTiO₃). With the objective of modulating its optical and electronic properties, a co-doping strategy was employed. Two main systems were investigated: SrTiO₃ co-doped with Praseodymium (Pr) and Lanthanum (La), and a second system of SrTiO₃ co-doped with Praseodymium (Pr) and Aluminum (Al), aiming to compare the effect of the different co-doping ions. In this work, preparation methods such as the hydrothermally-assisted co-precipitation method and the polymeric precursor method will be used. The photocatalytic activity of the synthesized samples was evaluated by means of the degradation of the RhB dye (C₂₈H₃₁ClN₂O₃) in an aqueous solution under irradiation. The efficiency of the process was determined quantitatively by monitoring the dye concentration over time. For this, aliquots were collected at regular intervals and analyzed by ultraviolet-visible (UV-Vis) absorption spectrophotometry, monitoring the variation in the intensity of the absorption band at its maximum wavelength (λₘₐₓ).