Nanopartículas de TiO2 funcionalizadas com monocamada de APTES e porfirinas: degradação potencializada de acetaminofeno sob luz visível
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
TiO2 nanoparticles functionalized with APTES monolayer and porphyrins: enhanced degradation of acetaminophen under visible light
Primeiro orientador
Membros da banca
Ana Paula de Carvalho Teixeira
Luciano Andrey Montoro
Luciano Andrey Montoro
Resumo
O dióxido de titânio (TiO2) é um semicondutor inorgânico cuja aplicação como fotocatalisador têm sido estudada desde o século XX, porém a sua atividade é limitada à utilização de radiação ultravioleta, correspondente a 3% da energia solar incidente na Terra. Visando o aproveitamento da radiação solar, estudos propõem a modificação do TiO2 resultando em materiais capazes de absorver energia na região do espectro visível. Este trabalho teve como objetivo a obtenção de materiais híbridos a base de TiO2 comercial nanoparticulado (P25 – Degussa), utilizando as porfirinas 5,10,15,20-tetraquis(4-carboxifenil)porfirina (H2T4CPP) e seu complexo de zinco ([Zn(T4CPP)]) e a sua aplicação como fotocatalisadores sob luz branca. Para a obtenção destes materiais, utilizou-se o (3-aminopropil)trietoxisilano (APTES) como ponte molecular entre o TiO2 e as porfirinas. As etapas experimentais do trabalho consistiram em: (I) obtenção e caracterização das porfirinas H2T4CPP e [Zn(T4CPP)]; (II) ativação da superfície do TiO2 P25 com NaOH; (III) funcionalização do TiO2 ativado com APTES (TiO2-APTES); (IV) imobilização das porfirinas H2T4CPP e [Zn(T4CPP)] ao material funcionalizado (produzindo TiO2-APTES-H2P e TiO2-APTES-ZnP, respectivamente); (V) avaliação da atividade fotocatalítica dos materiais TiO2-APTES-H2P e TiO2-APTES-ZnP sob luz visível. Após a ativação, o TiO2 apresentou 6,94 grupos OH/nm2, indicando o aumento de grupos hidroxila superficiais. Pela espectroscopia de infravermelho e pelo XPS identificou-se a formação de uma monocamada de APTES na superfície do material. Além disso, foi possível verificar a forma pela qual o APTES ligou-se à superfície. A espectroscopia de reflectância difusa confirmou a imobilização das porfirinas ao material. Testes de estabilidade dos materiais em solução aquosa indicaram que os materiais contendo APTES são instáveis em água. Experimentos de degradação do acetaminofeno sob irradiação de luz branca utilizando os materiais como fotocatalisadores foram realizados em acetonitrila. Os sistemas utilizando materiais TiO2-APTES-H2P e TiO2-APTES-ZnP apresentaram aproximadamente 40% de degradação do acetaminofeno quando irradiados, resultado 3,3 vezes maior que o obtido utilizando o material de partida (TiO2 comercial).
Abstract
Titanium dioxide (TiO2) is an inorganic semiconductor whose application as a photocatalyst has been studied since the 20th century. However, its activity is limited to the use of ultraviolet radiation, which corresponds to 3% of the incident solar energy on Earth. Aiming to harness solar radiation, studies propose the modification of TiO2, resulting in materials capable of absorbing energy in the visible region of the spectrum. This work aimed to obtain hybrid materials based on commercial nanoparticulate TiO2 (P25 – Degussa), utilizing the porphyrins 5,10,15,20-tetrakis(4-carboxyphenyl)porphyrin (H2T4CPP) and its zinc complex ([Zn(T4CPP)]), and their application as photocatalysts under white light. To obtain these materials, (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES) was used as a molecular bridge between the TiO2 and the porphyrins. The experimental steps of the work consisted of: (I) obtaining and characterization of the H2T4CPP and [Zn(T4CPP)] porphyrins; (II) activation of the surface of TiO2 P25 with NaOH; (III) functionalization of the activated TiO2 with APTES (TiO2-APTES); (IV) immobilization of the H2T4CPP and [Zn(T4CPP)] porphyrins onto the functionalized material (producing TiO2-APTES-H2P and TiO2-APTES-ZnP, respectively); (V) evaluation of the photocatalytic activity of the TiO2-APTES-H2P and TiO2-APTES-ZnP materials under visible light. After activation, the TiO2 presented 6.94 OH groups/nm2, indicating an increase in surface hydroxyl groups. Infrared spectroscopy and XPS identified the formation of an APTES monolayer on the material's surface. It was possible to verify the way APTES bonded to the surface. Diffuse reflectance spectroscopy confirmed the immobilization of the porphyrins onto the material. Stability tests of the materials in an aqueous solution indicated that the APTES-containing materials are unstable in water. Acetaminophen degradation experiments under white light irradiation, using the materials as photocatalysts, were performed under acetonitrile. The systems utilizing the TiO2-APTES-H2P and TiO2-APTES-ZnP materials showed approximately 40% of acetaminophen degradation when irradiated, a result 3.3 times greater than that obtained using the starting material (commercial TiO2).
Assunto
Química inorgânica, Fotocatálise, Porfirina e compostos de porfirina, Dióxido de titânio, Catálise heterogênea, Acetaminofen
Palavras-chave
Fotocatálise, Metaloporfirinas, Catálise heterogênea, Paracetamol, Fotossensibilização