Dissertação/Tese SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE HETEROESTRUTURAS DE ÓXIDO DE ZINCO (ZnO) COM NITRETO DE CARBONO (C3N4) PARA APLICAÇÕES FOTOCATALÍTICAS HETEROGÊNEAS - PPGQ

O enfrentamento dos problemas ambientais relacionados à contaminação de águas e do ar e a geração de energia renovável dependem do desenvolvimento de materiais mais eficientes, baratos, estáveis e de fácil utilização. A fotocatálise heterogênea com semicondutores vem sendo estudada para estas aplicações, no entanto, ainda existem desafios para tornar a fotocatálise heterogênea viável em um processo em larga escala. A associação de diferentes semicondutores formando uma heteroestrutura surge como uma ótima alternativa para se superar estes desafios, contudo, o próprio processo de obtenção de uma heteroestrutura é desafiador. Neste sentido, este trabalho apresenta um método considerado simples para a obtenção de fotocatalisadores heteroestruturados compostos por ZnO e g-C3N4. As partículas cristalinas de ZnO foram obtidas pelo método sol-gel hidrolítico, utilizando acetato de zinco como precursor sob pH controlado à temperatura ambiente, e o g-C3N4 (amostra denominada CN) foi obtido por policondensação térmica da melamina a 550 ºC por 2 h. As heteroestruturas de ZnO:CN foram obtidas por precipitação de ZnO em dispersões contendo 15%, 50% e 85% da CN, que foram referidos como ZnO:CN15%, ZnO:CN50% e ZnO:CN85%, respectivamente. As amostras sintetizadas apresentaram ambas as fases desejadas, ZnO cristalino na fase wurtzita e g-C3N4, em composições semelhantes às esperadas. As heteroestruturas mostraram espectros com bandas de absorção deslocadas para a região visível e menores valores de band gap que o ZnO puro devido à presença de g-C3N4 nas heteroestruturas, o que torna este material interessante para aplicações fotocatalíticas no visível ou sob radiação solar. Além disso, as heteroestruturas de ZnO:CN foram ativas para degradar o fármaco amilorida (AML) sob irradiação visível e ultravioleta. A amostra ZnO:CN50% apresentou o melhor desempenho, atribuída à formação de mais heterojunções entre ZnO e g-C3N4, provavelmente formando uma heteroestrutura tipo II. As heteroestruturas também foram aplicadas em testes de conversão de CO2 onde apresentou fotorredução em produtos de valor agregados como monóxido de carbono, metano e etileno. A associação dos dois semicondutores resultou em maior estabilidade do fotocatalisador, o que é extremamente importante para aplicações fotocatalíticas em larga escala, especialmente no caso do uso do ZnO que geralmente apresenta estabilidade dependente do pH.

The combat of environmental problems related to the contamination of water and air, and the generation of renewable energy depends on the development of more efficient, cheap, stable and easy-to-use materials. The heterogeneous photocatalysis with semiconductors has been studied for these applications, however, there are still challenges to make heterogeneous photocatalysis viable in a large-scale process. The association of different semiconductors forming a heterostructure appears as a great alternative to overcome these challenges, however, the process of obtaining a heterostructure itself is challenging. In this sense, this work presents a simple method for obtaining heterostructured photocatalysts composed of ZnO and g-C3N4. The crystalline particles of ZnO were obtained by the hydrolytic sol-gel method, using zinc acetate as a precursor under controlled pH at room temperature, and g-C3N4 (sample called CN) was obtained by thermal polycondensation of melamine at 550 ºC for 2 h. The ZnO:CN heterostructures were obtained by ZnO precipitation in dispersions containing 15%, 50% and 85% of the CN, which were referred to as ZnO:CN15%, ZnO:CN50% and ZnO:CN85%, respectively. The synthesized samples presented both the desired phases, crystalline ZnO in the wurtzite phase and g-C3N4, in compositions similar to those expected. The heterostructures showed spectra with absorption bands displaced to the visible region and lower band gap values than pure ZnO due to the presence of g-C3N4 in the heterostructures, which makes this material interesting for photocatalytic applications in the visible or under solar radiation. In addition, the ZnO:CN heterostructures were active to degrade the drug amiloride (AML) under visible and ultraviolet irradiations. The ZnO:CN50% sample showed the best performance, attributed to the formation of more heterojunctions between ZnO and g-C3N4, probably in a type II heterostructure. The heterostructures were also applied in CO2 conversion tests where they showed photoreduction in value added products such as carbon monoxide, methane and ethylene. The combination of the two semiconductors resulted in greater stability of the photocatalyst, which is extremely important for large-scale photocatalytic applications, especially in the case of the use of ZnO, which generally presents pH-dependent stability