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Type: Tese de Doutorado
Title: Fotocatalizadores heterogêneos magnéticos baseados em óxidos de ferro para produção de hidrogênio via fotólise da água ou para oxidação de compostos orgânicos
Authors: Adilson Cândido da Silva
First Advisor: José Domingos Fabris
First Co-advisor: Luiz Carlos Alves de Oliveira
First Referee: Fabiano Vargas Pereira
Second Referee: Flavia Cristina Camilo Moura
Third Referee: Luis Henrique Mendes da Silva
metadata.dc.contributor.referee4: Patricia Alejandra Robles Dutenhefner
Abstract: Este texto de tese e dividido em duas partes maiores: (i) experimental e (ii) modelagem teorica. A experimental pode ser subdividida em quatro partes principais: (a) sintese, caracterizacao e o inedito estudo das propriedades fotocataliticas de d-FeOOH, para a producao de hidrogenio gasoso via fotolise da agua; (b) sintese, caracterizacao e estudo das propriedade fotocataliticas de compositos baseados d-FeOOH/Ni(OH)2, para a producao de hidrogenio gasoso via fotolise da agua; (c) sintese, caracterizacao e estudo fotocatalitico de d-FeOOH contendo niobio na oxidacao da molecula modelo azul de metileno e (d) preparo de fotocatalisadores a partir de rejeitos da mineracao de niobio ricos em oxidos de ferro. Da modelagem teorica da estrutura de banda do d-FeOOH puro, do d-FeOOH dopado com niquel e do d-FeOOH dopado com niobio, a transferencia de cargas no d-FeOOH ocorre dos atomos de oxigenio para atomos de ferro. A incorporacao de niquel nao causa mudanca significativas do valor do band gap (banda proibida) do material. O d-FeOOH foi usado para producao de hidrogenio a partir da decomposicao molecular fotocatalitica da agua, por radiacoes ultravioleta ou visivel. Sob radiacao UV, o material produz 548,4 £gmol h-1 de hidrogenio gasoso; no escuro, nao ha efetivamente qualquer producao de hidrogenio. Para fins comparativos, o TiO2 (P-25 Degussa) foi testado produzindo 52 Umol h-1 de hidrogenio. A reacao tambem foi conduzida com Na2CO3, como reagente de sacrificio. Nessas condicoes, a producao de hidrogenio aumentou significativamente, passando para 1164,7 Ugmol h-1. A reacao foi testada sob luz visivel. Foi produzido hidrogenio gasoso na taxa de 10,9 Ugmol h-1. Este resultado mostra que o fotocatalisador pode efetivamente ser tambem ativado pela luz visivel. O composito d-FeOOH/Ni(OH)2 foi estudado na producao de hidrogenio sob radiacao visivel. Pode-se observar que a incorporacao de Ni(OH)2 e importante para estimular a producao de H2. O d-FeOOH puro produz 10 Ugmol h-1, enquanto que o material com 20% de Ni(OH)2 produz 30 Ugmol h-1.Este resultado sugere que o Ni(OH)2, pode atuar como co-catalisador na reacao fotocatalitica. O ¿Ô-FeOOH dopado com niobio foi testado na fotoxidacao de azul de metileno 100 mgL-1 sob radiacao ultravioleta. O material sem a presenca de niobio remove cerca de 10,2 % da coloracao, apos 120 minutos de reacao, enquanto o material dopado com 10,0 % em massa de niobio apresentou remocao de 92,6% de remocao de coloracao, apos 10 minutos de reacao. Estes dados mostram a importancia da incorporacao de Nb, para reacoes fotocataliticas de degradacao de moleculas organicas, por um mecanismo provavel de retardamento da recombinacao do par eletron-burraco, que explicaria a alta atividade fotocatalitica. Na quarta parte experimental do trabalho, amostras de rejeito de mineracao de niobio, fornecidas pela Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineracao (CBMM; Araxa, MG), foram tratadas no proposito de se obter materiais fotocataliticamente ativos. O rejeito e majoritariamente composto por hematita a-Fe2O3; aproximadamente, 59 % em massa) e magnetita (Fe3O4; aproximadamente, 41 % em massa). Os materiais foram usados na fotodegradacao de moleculas modelos, de azul de metileno, vermelho do congo e alaranjado de metila. Sob radiacao ultravioleta, o material natural apresentou maior remocao do alaranjado de metila, com uma constante de velocidade de reacao de 0,00205 min-1. O material tratado a 500 oC apresenta maior remocao para molecula de azul de metileno, com uma constante de velocidade de 0,00751 min-1. O material tratado a 1000 oC apresenta maior remocao para a molecula de vermelho do congo, com constante de velocidade de 0,00738 min-1.
Abstract: This thesis is divided into two major parts: (i) experimental and (ii) theoretical modeling. The experiments can be subdivided into four major parts: (a) Synthesis, characterization and study of the photocatalytic properties of -FeOOH to produce gaseous hydrogen via water photolysis (b) Synthesis, characterization and study of the photocatalytic properties of composites based on -FeOOH/Ni(OH)2 for the production of hydrogen gas via water photolysis (c) Synthesis, characterization and photocatalytic study of -FeOOH containing niobium in the oxidation of methylene blue dye as model molecule (d) Preparation of photocatalysts from niobium mining tailings, rich in iron oxides. The theoretical modeling of the band structure of the pure -FeOOH, the nickel doped -FeOOH and niobium doped -FeOOH shows that the charge transfer occurs from oxygen to iron atoms. The addition of nickel did not cause significant change in the value of band gap of the material. The -FeOOH was used for production of molecular hydrogen from photocatalytic decomposition of water under ultraviolet (UV) and visible light. Under UV irradiation, the material produces 548.4 micromolh-1 of gaseous hydrogen. However, in the dark, there is no production of hydrogen. For comparative purposes, TiO2 (Degussa P-25) was tested, yielding 52 molh-1 of hydrogen. The reaction was also conducted with Na2CO3 as sacrifice reagent. In these circumstances, hydrogen production increased significantly, reaching 1164.7 micromolh-1. The reaction was tested under visible light and hydrogen gas was produced at the rate of 10.9 molh-1. This result shows that the photocatalyst can also be effectively activated by visible light. The composite -FeOOH/Ni(OH)2 was studied in the production of hydrogen under visible radiation. It was observed that the incorporation of Ni(OH)2 is important to stimulate the production of H2. The pure -FeOOH produces 10 molh-1, while the material with 20% of Ni(OH)2 produces 30 molh-1.These results suggest that Ni(OH)2 can act as a co-catalyst in photocatalytic reaction. The niobium-doped -FeOOH was tested in photooxidation of methylene blue dye under ultraviolet radiation. The material without the presence of niobium removes 10.2 % of staining after 120 minutes of reaction, while the material doped with 10.0 wt% of niobium showed 92.6% of stain removal after 10 minutes of reaction. These data show the importance of the incorporation of Nb for photocatalytic degradation reactions of organic molecules by a delay in the recombination of the electron-hole pair, which would explain the high photocatalytic activity. In the fourth part of the experimental work, samples of tailing from niobium mine , provided by the Company of Metallurgy and Mining (CBMM; Araxá MG) was treated, in order to obtain photocatalytically active materials. The waste is primarily composed of hematite (-Fe2O3; approximately 59 wt%) and magnetite (Fe3O4; approximately 41 wt%). The materials were used in photooxidation of model molecules methylene blue, congo red and orange methyl. Under ultraviolet light, the natural material showed greater removal of methyl orange, with a reaction rate constant of 0.00205 min-1. The material treated at 500 °C provides greater removal of methylene blue molecule with a rate constant of 0.00751 min-1. The material treated at 1000 °C has the highest removal capacity for the congo red molecule with speed constant 0.00738 min-1.
Subject: Niobio
Fotocatalise
Físico-química
Hidrogenio
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-9ATP9G
Issue Date: 5-Jul-2013
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