Avaliação da atividade fotocatalítica de heterojunções entre halogenetos de bismuto e hematita na degradação de compostos orgânicos em fase líquida sob radiação visível

Abstract

Neste trabalho foram sintetizados fotocatalisadores a partir da construção de heterojunções do tipo p-n entre os oxihalogenetos de bismuto BiOX (X = I ou Br) com a hematita (α-Fe2O3) visando obter melhor desempenho na fotodegradação de poluentes em meio aquoso sob radiação visível. Os BiOX foram sintetizados a partir de variações do método solvotérmico e coprecipitação. A hematita foi adicionada por tratamento hidrotérmico. Todos os materiais foram caracterizados por difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de reflectancia difusa (EDR) e ensaios de adsorção com N2. Os ensaios fotocatalíticos foram conduzidos em reator batelada agitado mecanicamente com o catalisador em suspensão e lâmpada tipo LED, emissão de radiação apenas na região do visível, como moléculas modelos foram utilizadas a rodamina B e o fenol. Os ensaios para os catalisadores foram realizados segundo planejamentos fatoriais de experimentos 2² com repetição no ponto central. A caracterização dos BiOX mostrou que os métodos solvotérmicos sintetizaram precursores com maior área superficial e uniformidade estrutural que os obtidos via coprecipitação. O tratamento hidrotérmico reduziu a área superficial e a uniformidade dos precursores obtidos via rota solvotérmica, por outro lado promoveu aumento da uniformidade e área superficial dos precursores obtidos por coprecipitação. Os precursores de BiOI (M, T, Z e H) apresentaram kap para rodamina B de 0,0054, 0,0167, 0,0101 e 0,0104 min-1 respectivamente. Enquanto para os precursores de BiOBr (L-ET, L-EG, H e Y) o kap calculado para rodamina B foi de 0,1016, 0,0947, 0,0675 e 0,0515 min-1 respectivamente. O planejamento realizado com o catalisador BiOI-M teve como resultado que tempos de síntese superiores a 13 horas acarretavam queda acentuada na atividade, por essa razão se optou por manter fixo esse valor nas demais etapas. O planejamento para os demais catalisadores mostrou que a relação Fe/Bi é a variável com maior impacto sobre a atividade, a temperatura exerceu pouca influência sobre os catalisadores de BiOI, mas maior impacto sobre os catalisadores de BiOBr. Os catalisadores de BiOI (T, Z e H) apresentaram kap nos melhores pontos de 0,0419, 0,0229 e 0,0213 min-1 respectivamente. Os catalisadores de BiOBr (L-ET, L-EG, H e Y) apresentaram kap nos melhores pontos de 0,1144, 0,1087, 0,0890 e 0,1082 min-1 respectivamente. Os catalisadores obtidos foram capazes de degradar o fenol, confirmando atividade fotocatalítica da superfície do catalisador.

In this work, photocatalysts were synthesized from the construction of p-n heterojunctions between bismuth oxyhalides BiOX (X = I or Br) with hematite (α-Fe2O3) to obtain better performance in the photodegradation of pollutants in aqueous media under visible radiation. BiOX were synthesized from variations of the solvothermal method and coprecipitation. Hematite was added by hydrothermal treatment. All materials were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), diffuse reflectance spectroscopy (EDR) and N2 adsorption assays. The photocatalytic tests were carried out in a mechanically stirred batch reactor with the catalyst in suspension with LED type lamp, emission of radiation only in the visible region, as model molecules rhodamine B and phenol were used. The tests for the catalysts were carried out according to factorial designs of 2² experiments with repetition at the central point. The characterization of BiOX showed that solvothermal methods synthesize precursors with greater surface area and structural uniformity than those obtained via coprecipitation. The hydrothermal treatment reduced the surface area and the uniformity of the precursors obtained via the solvothermal route, otherwise it promoted an increase in the uniformity and surface area of the precursors obtained by coprecipitation. The BiOI precursors (M, T, Z and H) showed kap for rhodamine B of 0.0054, 0.0167, 0.0101 and 0.0104 min-1 respectively. While for BiOBr precursors (L-ET, L-EG, H and Y) the calculated kap for rhodamine B was 0.1016, 0.0947, 0.0675 and 0.0515 min-1 respectively. The factorial design carried out with the BiOI-M catalyst showed that synthesis times greater than 13 hours causes a sharp drop-in activity, for this reason it was decided to keep this value fixed in the other steps. The factorial desing for the other catalysts showed that the Fe/Bi ratio is the variable with the greatest impact on the activity, the temperature exerted little influence on the BiOI catalysts, but greater impact on the BiOBr catalysts. The BiOI catalysts (T, Z and H) showed kap at the best points of 0.0419, 0.0229 and 0.0213 min-1 respectively. The BiOBr catalysts (L-ET, L-EG, H and Y) showed kap at the best points of 0.1144, 0.1087, 0.0890 and 0.1082 min-1 respectively. The catalysts obtained were able to degrade phenol, confirming photocatalytic activity on the surface of the catalyst.