Modificação estrutural de fotocatalisadores à base de nanofolhas de titanato: eficiência de degradação rápida de corantes e poder de adsorção

Abstract

A nanotecnologia de semicondutores avançou com a compreensão e controle de defeitos e modificações físicas para obter cristais de alta qualidade. As nanoestruturas de titanatos são estudadas devido à capacidade de troca iônica, adsorção de corantes e fotocatálise, prometendo aplicações diversificadas. A estrutura das nanofolhas de titanato de sódio (TNS) com suas várias fases cristalinas, como o trititanato de sódio (Na2Ti3O7) e o hexatitanato de sódio (Na2Ti6O13), assim como sua organização lamelar ligada por íons Na+ conferem alta eficiência fotocatalítica e uma grande área de superfície específica. O estudo das TNS possibilita a compreensão dos processos envolvidos em suas aplicações e a exploração de seu potencial em diversas áreas, contribuindo para o avanço na nanotecnologia de semicondutores. Neste estudo, investigamos o impacto da variação do tempo, temperatura e tempo de reação na síntese de fotocatalisadores à base de titanato, utilizando o método hidrotérmico assistido por micro-ondas. Os materiais foram caracterizados por meio de técnicas que permitiram revelar suas propriedades estruturais, morfológicas e eletrônicas, corroborando a formação de uma heterojunção entre o titanato de sódio (Na2Ti6O13) e o titanato de hidrogênio hidratado (H2Ti3O7·H2O). Os resultados evidenciaram que o incremento do potencial químico do NaOH ocasionou uma troca iônica entre os íons Na+ e H+, resultando em uma fase do H2Ti3O7·H2O mais estável. O mecanismo de coalescência orientada (OA) foi predominante, levando à formação de nanopartículas com uma morfologia semelhante a folhas nanométricas. A eficiência fotocatalítica dos materiais foi testada para o descolorimento dos corantes Rodamina B (RhB) e Azul de Metileno (MB). O fotocatalisador com melhor eficiência apresentou um tempo de meiavida para o descoloração da RhB de apenas 5 minutos, além de exibir uma alta capacidade de adsorção no meio MB (∼90% em 10 minutos). Assim, foi possível estabelecer condições favoráveis, com baixo tempo e temperatura de síntese, para produzir a heterojunção de H2Ti3O7.H2O/Na2Ti6O13. Esse material demonstrou uma notável atividade fotocatalítica e uma excelente capacidade de remoção seletiva para o azul de metileno.

Semiconductor nanotechnology has advanced through the understanding and control of defects, along with physical modifications to obtain high-quality crystals. Titanate nanostructures are being studied due to their ion exchange capacity, dye adsorption, and photocatalysis, promising diverse applications. The structure of sodium titanate nanosheets (TNS) with their various crystalline phases, such as sodium trititanate (Na2Ti3O7) and sodium hexatitanate (Na2Ti6O13), and their lamellar organization linked by Na+ ions confer high photocatalytic efficiency and a large specific surface area. The study of TNS is of utmost importance to understand the processes involved in their applications and explore their potential in various areas, contributing to advances in semiconductor nanotechnology. In this study, we investigated the impact of variation in time, temperature, and reaction time on the synthesis of titanate-based photocatalysts using microwave-assisted hydrothermal method. The materials were characterized through techniques that revealed their structural, morphological, and electronic properties, corroborating the formation of a heterojunction between sodium titanate (Na2Ti6O13) and hydrated hydrogen titanate (H2Ti3O7·H2O). The results showed that the increase in the chemical potential of NaOH caused an ion exchange between Na+ and H+ ions, resulting in a more stable phase of H2Ti3O7·H2O. The oriented attachment (OA) growth mechanism was predominant, leading to the formation of nanoparticles with a nanosheet-like morphology. The photocatalytic efficiency of the materials was tested for the decolorization of Rhodamine B (RhB) and Methylene Blue (MB) dyes. The photocatalyst with the highest efficiency exhibited a half-life time for RhB decolorization of only 5 minutes, in addition to showing a high adsorption capacity in the MB medium (∼90% in 10 minutes). Thus, it was possible to establish favorable conditions, with low synthesis time and temperature, to produce the heterojunction of H2Ti3O7.H2O/Na2Ti6O13. This material exhibited remarkable photocatalytic activity and an excellent capacity for selective removal of methylene blue.