Modulação das propriedades estruturais, eletrônicas e fotocatalíticas de titanatos nanoestruturados

Abstract

O aumento da incidência de infecções bacterianas e da resistência microbiana aos agentes antimicrobianos convencionais tem impulsionado o desenvolvimento de novos materiais com atividade bactericida eficiente e de amplo espectro. Nesse contexto, torna-se essencial a busca por estratégias alternativas para a prevenção e o controle de patógenos em aplicações ambientais, hospitalares e sanitárias. Materiais funcionais baseados em óxidos semicondutores e metais destacam-se como candidatos promissores para o desenvolvimento de superfícies antimicrobianas avançadas, capazes de atuar por múltiplos mecanismos de inativação microbiana. Assim, o desafio tecnológico reside no desenvolvimento de sistemas biocidas viáveis economicamente e capazes de inativar patógenos oportunistas, reduzindo o risco de infecção e transmissão. Este projeto propõe uma abordagem inovadora para a síntese de semicondutores à base de titanato de sódio e hidrogênio (Na2-xHxTi3O7, 0 ≤ x ≤ 2), utilizando a rota hidrotermal assistida por micro-ondas. A originalidade do estudo está na investigação sistemática dos efeitos de diferentes surfactantes e da incorporação superficial de prata (Ag), estabelecendo correlações diretas entre estrutura, propriedades eletrônicas e atividade antibacteriana dos materiais obtidos. Ensaios fotocatalíticos revelaram que a amostra modificada com CTAB e contendo 5%p de Ag apresentou o melhor desempenho global, atingindo cerca de 82% de fotodegradação. Esse comportamento foi corroborado por análises de fotoluminescência e ressonância paramagnética eletrônica, que evidenciaram menor recombinação radiativa e maior densidade de centros paramagnéticos associados a defeitos superficiais e armadilhas eletrônicas, indicando separação de cargas fotoinduzidas mais eficiente. Embora a amostra com 10%p de Ag tenha apresentado maior atividade antibacteriana, a composição contendo 5%p de Ag foi selecionada por combinar elevada eficiência fotocatalítica, menor recombinação eletrônica e maior densidade de defeitos eletronicamente ativos. A partir dessa seleção, compósitos poliméricos foram obtidos pela incorporação do titanato modificado em matriz de quitosana. O compósito apresentou aproximadamente 55% de degradação fotocatalítica, desempenho compatível com materiais imobilizados. As caracterizações realizadas permitiram estabelecer correlações entre estrutura, propriedades eletrônicas e desempenho funcional, evidenciando o potencial dos materiais para aplicações em embalagens, tecidos técnicos, equipamentos de proteção individual e dispositivos sanitários.

The increasing incidence of bacterial infections and the growing microbial resistance to conventional antimicrobial agents have driven the development of new materials with efficient and broad-spectrum bactericidal activity. In this context, the search for alternative strategies for pathogen prevention and control in environmental, hospital, and sanitary applications has become essential. Functional materials based on semiconductor oxides and metals stand out as promising candidates for the development of advanced antimicrobial surfaces capable of operating through multiple mechanisms of microbial inactivation. Thus, the technological challenge lies in the development of cost-effective biocidal systems capable of inactivating opportunistic pathogens, thereby reducing the risk of infection and transmission. This project proposes an innovative approach for the synthesis of sodium and hydrogen titanate-based semiconductors (Na2-xHxTi3O7, 0 ≤ x ≤ 2) using a microwave-assisted hydrothermal route. The originality of this study lies in the systematic investigation of the effects of different surfactants and the surface incorporation of silver (Ag), establishing direct correlations between structure, electronic properties, and antibacterial activity of the obtained materials. Photocatalytic assays revealed that the CTAB-modified sample containing 5 wt% Ag exhibited the best overall performance, reaching approximately 82% photodegradation. This behavior was corroborated by photoluminescence and electron paramagnetic resonance analyses, which evidenced lower radiative recombination and a higher density of paramagnetic centers associated with surface defects and electron traps, indicating more efficient photoinduced charge separation. Although the sample containing 10 wt% Ag showed higher antibacterial activity, the composition with 5 wt% Ag was selected due to its combined advantages of high photocatalytic efficiency, reduced electronic recombination, and higher density of electronically active defects. Based on this selection, polymeric composites were obtained by incorporating the modified titanate into a chitosan matrix. The composite exhibited approximately 55% photocatalytic degradation, a performance consistent with immobilized systems. The performed characterizations allowed the establishment of correlations between structure, electronic properties, and functional performance, highlighting the potential of these materials for applications in packaging, technical textiles, personal protective equipment, and sanitary devices.