Nanopartículas de NiFe2O4 com crescimento controlado por surfactantes e campo magnético externo para aplicações fotocatalíticas

Abstract

O desenvolvimento de tecnologias sustentáveis baseadas em energia solar demanda materiais eficientes para sistemas foto(eletro)químicos, com ênfase em precursores abundantes, sínteses simples e potencial para larga escala. A ferrita de níquel (NiFe2O4, NFO) é um fotocatalisador promissor para captura e conversão de luz solar. Este estudo investigou a síntese de nanopartículas de NFO por microemulsão e co-precipitação assistida por surfactantes, avaliando precursores, tempo de reação, temperatura de calcinação e aplicação de um campo magnético externo. A microemulsão mostrou dependência do pH e força iônica na estabilidade das micelas, enquanto a co-precipitação apresentou maior robustez, gerando partículas de 30 a 50 nm com elevada aglomeração. O uso de precursores de sulfatos resultou em maiores cristalitos e tamanho de partícula, enquanto precursores de nitratos favoreceram a formação de α-Fe2O3 (hematita) como subproduto. A análise de Espectroscopia Raman indicou variações na ocupação dos sítios cristalinos octaédricos e tetraédricos, influenciadas pelo tempo de reação e temperatura. A síntese sob campo magnético alterou a morfologia e propriedades estruturais, promovendo a formação em um primeiro momento de uma fase de γ-FeOOH, que é transformada em NFO com maior ocupação de sítios tetraédricos por Ni2+. As amostras demonstraram alta eficiência fotocatalítica de azul de metileno com degradação de >95% em 15 minutos de reação utilizando 1 mM H2O2 como co-catalisador, com melhor desempenho para a amostra obtida sob campo magnético (98,6%), associada à maior ocupação de sítios tetraédricos por Ni2+. De modo geral, melhores desempenhos foram observados para amostras com menor teor de fase secundária de α-Fe2O3.

The development of sustainable technologies based on solar energy requires efficient materials for photo(electro)chemical systems, with an emphasis on abundant precursors, simple syntheses, and large-scale potential. Nickel ferrite (NiFe2O4, NFO) is a promising photocatalyst for solar light capture and conversion. This study investigated the synthesis of NFO nanoparticles via microemulsion and surfactant-assisted co-precipitation, evaluating precursors, reaction time, calcination temperature, and the application of an external magnetic field. The microemulsion method showed a strong dependence on pH and ionic strength for micelle stability, while co-precipitation exhibited greater robustness, generating 30–50 nm particles with high agglomeration. Sulfate precursors resulted in larger crystallites and particle sizes, whereas nitrate precursors favored the formation of α-Fe2O3 (hematite) as a byproduct. Raman spectroscopy analysis indicated changes in the octahedral and tetrahedral crystalline sites occupancy influenced by reaction time and temperature. Magnetic field-assisted synthesis promoted altered morphology and structural properties, yielding first a secondary phase of γFeOOH that transforms into NFO with greater tetrahedral site occupancy by Ni2+ . Samples tested for photocatalytic activity exhibited high efficiency in methylene blue degradation, exceeding 95% within 15 minutes using 1 mM H2O2 as a co-catalyst. The best performance was observed for the sample synthesized under a magnetic field (98.6%), associated with the higher tetrahedral site occupancy by Ni2+. In general, better performances were observed for samples with lower α-Fe2O3 secondary phase content.