Síntese e caracterização de nanoestruturas de Nb2O5 e Nb2O5@TiO2: avaliação do mecanismo de crescimento e potencial fotocatalítico

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Dissertação de mestrado

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Nelcy Della Santina Mohallem
Fabiano Vargas Pereira

Resumo

Este estudo teve por objetivo a investigação da síntese hidrotérmica/solvotérmica do Nb2O5, utilizando uma reação na presença de peróxido de hidrogênio e em diferentes condições experimentais. Buscou-se ainda compreender o mecanismo de crescimento das nanoestruturas deste importante óxido. Além disso, foi explorada a síntese de heteroestruturas de Nb2O5@TiO2, como forma de gerar interfaces que permitam modificar o processo de recombinação dos pares elétron-buraco. A atividade fotocatalítica dos materiais obtidos foi estudada em um sistema modelo, através da degradação do corante rodamina B em solução aquosa na presença de radiação UV. A caracterização química e estrutural dos materiais obtidos foi realizada por diferentes técnicas como a difração de raios X associada ao refinamento Rietveld, microscopias eletrônicas de transmissão com análises por espectroscopia de raios X de energia dispersiva (EDS) e difração de elétrons, espectroscopia no UV-Vis por reflectância difusa, espectroscopia no infravermelho e espectroscopia Raman. Os resultados obtidos mostraram a obtenção de nanoestruturas de Nb2O5 do tipo TT, com morfologias do tipo ouriço e nanobastões. Microscopia eletrônica de transmissão e difração de raios X permitiram inferir que os nanobastões se formam a partir de um mecanismo de crescimento por ligação orientada; crescendo ao longo da direção cristalográfica [001], com a formação de defeitos nas direções [100] e [010]. As nano-heteroestruturas de Nb2O5@TiO2 foram investigadas por microscopia eletrônica de transmissão e difração de raios X. Observou-se a formação de partículas com um núcleo cristalizado de Nb2O5 na fase cristalina T, envolto por uma região amorfa correspondente ao complexo inorgânico de titânio, que após calcinação leva à formação de TiO2 na fase anatásio. Nos estudos de degradação da rodamina B, as amostras de Nb2O5 na fase TT apresentaram boa atividade fotocalítica, que foi atribuída a morfologia em nanobastões. Esta morfologia com crescimento ao longo da direção [001] leva a exposição de planos cristalográficos (100) e (010). No entanto, as nano-heteroestruturas de Nb2O5@TiO2 apresentaram a maior atividade fotocalítica, que pode estar relacionado a formação da heterojunção tipo II, com diminuição da recombinação dos pares elétron-buraco.

Abstract

This study aimed to investigate the hydrothermal/solvothermal synthesis of Nb2O5, using a reaction in the presence of hydrogen peroxide under different experimental conditions. Additionally, efforts were made to comprehend the growth mechanism of nanostructures of this crucial oxide. Furthermore, the synthesis of Nb2O5@TiO2 heterostructures was explored as a means to create interfaces that enable modification of the electron-hole pair recombination process. The photocatalytic activity of the obtained materials was studied in a model system, involving the degradation of rhodamine B dye in aqueous solution under UV radiation. The chemical and structural characterization of the obtained materials was performed using various techniques such as X-ray diffraction associated with Rietveld refinement, transmission electron microscopy with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and electron diffraction analyses, UV-Vis spectroscopy by diffuse reflectance, infrared spectroscopy, and Raman spectroscopy. The results indicated the formation of Nb2O5 nanostructures of the TT type, with hedgehog and nanorod morphologies. Transmission electron microscopy and X-ray diffraction allowed the inference that nanorods form through an oriented attachment growth mechanism, growing along the crystallographic direction [001], with the formation of defects in the [100] and [010] directions. Nano-heterostructures of Nb2O5@TiO2 were investigated by transmission electron microscopy and X-ray diffraction. The formation of particles with a crystallized Nb2O5 core in the T crystalline phase, surrounded by an amorphous region corresponding to the titanium inorganic complex, was observed. After calcination, this leads to the formation of TiO2 in the anatase phase. In the rhodamine B degradation studies, Nb2O5 samples in the TT phase exhibited good photocatalytic activity, attributed to the nanorod morphology. This morphology, growing along the [001] direction, exposes crystallographic planes (100) and (010). However, Nb2O5@TiO2 nano-heterostructures showed the highest photocatalytic activity, potentially related to the formation of a type II heterojunction, reducing the recombination of electron-hole pairs.

Assunto

Físico-química, Química ambiental, Fotocatálise, Nanoestrutura, Dióxido de titânio, Compostos de nióbio, Heteroestruturas

Palavras-chave

Pentóxido de nióbio, Dióxido de titânio, Crescimento, Heteroestrutura, Fotocatálise, Niobium pentoxide, Titanium dioxide, Growth, Heterostructure, Photocatalysis

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