C dopado com ZnO: Fácil síntese, caracterização e degradação fotocatalítica de corantes

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 14173 (2023) Citar este artigo

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Nanopartículas de ZnO dopadas com carbono foram sintetizadas a partir da decomposição térmica do precursor do citrato de zinco. O precursor foi sintetizado a partir de pasta semissólida e depois submetido à calcinação a 700 °C para produzir nanopartículas de ZnO. O precursor e o ZnO foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, espectros UV-visíveis (UV-Vis), microscópio eletrônico de transmissão, microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo, análise de energia dispersiva por raios X (EDAX), difração de raios X em pó (XRD ) e espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS). Os resultados garantiram a formação de nanopartículas hexagonais de 2D-ZnO com espessura de camada de 25 nm. O intervalo de banda óptica do ZnO foi determinado e encontrado em 2,9 eV, que é menor que o volume. A degradação fotocatalítica do corante Fluoresceína como corante aniônico e da rodamina B como corante catiônico foi avaliada via NPs de C-ZnO sob irradiação UV. O ZnO apresentou 99% de degradação do corante Fluoresceína após 240 min e uma degradação fotocatalítica completa do corante Rodamina B após 120 min sob irradiação UV.

O lançamento de efluentes industriais contaminados com corantes orgânicos provenientes do processamento de tecidos, produtos farmacêuticos, cosméticos, entre outros, tornou-se a principal causa de contaminação excessiva da água1. A exposição a corantes, mesmo em pequena concentração, pode influenciar criticamente a qualidade da água do ambiente aquático2. Corantes como rodamina B e azul de metileno são corantes perigosos não biodegradáveis, tóxicos e cancerígenos3, 4. A fluoresceína é um corante altamente fluorescente que pode ser usado para visualizar a estrutura de materiais e rastrear o fluxo de fluidos e estável em uma ampla gama de Condições de pH e temperatura5. Os corantes não biodegradáveis ​​e resistentes representam um grande problema porque podem persistir no ambiente por longos períodos de tempo, onde podem ter muitos impactos ambientais negativos6. Necessita de múltiplos processos, como adsorção7, filtração8 e fotocatálise9, para purificação eficiente da água. A fotocatálise é considerada uma técnica sustentável e ecologicamente correta para a remoção de corantes de águas residuais10, 11. A fotocatálise é uma abordagem promissora para técnicas futuras que dependem de radiações solares naturais renováveis, disponíveis e baratas12, 13. Os defeitos da nanoestrutura são críticos na definição as propriedades e o desempenho das nanoestruturas nas aplicações visadas14. Sem parâmetros obrigatórios como pH e temperatura, poucos fotocatlisadores têm um impacto de degradação eficiente de corantes aniônicos e catiônicos . Os materiais bidimensionais são nanomateriais em forma de folha feitos de múltiplas camadas finas com uma espessura de vários nanômetros . materiais de diâmetro têm atraído cada vez mais atenção para aplicações fotocatalíticas em relação a outras morfologias devido à sua espessura única e à sua superfície ativa duplamente exposta, natureza peculiar da densidade eletrônica do espectro de estado . As reações fotocatalíticas dependem da indução por luz UV-visível na superfície de um semicondutor como o ZnO20. É um excelente semicondutor do tipo n com energia de band gap (3,3 eV), possui características únicas como alta fotossensibilidade, boa estabilidade física e química e alta mobilidade eletrônica . O ZnO tem potencial significativo como um poderoso agente antibacteriano e alto perfil de segurança que pode eventualmente substituir os antibióticos23. Essas propriedades características permitiram que o ZnO fosse um material promissor para uma variedade de aplicações, como células solares, fotocatálise e sensor de gás24. A dopagem metálica25 e não metálica (por exemplo, carbono)26 tem um impacto significativo na engenharia de band gap e na fotocatálise eficiência27, 28. O aumento da eficiência fotocatalítica para o dopado com carbono-ZnO pode ser devido à boa capacidade de adsorção do corante, foto-oxidação direta do corante e inibição da recombinação elétron-buraco foto-induzida29. A síntese de dopagem geralmente precisa de métodos sofisticados, sem simplicidade e produção de alto rendimento 30, 31. A síntese no estado sólido de óxidos metálicos a partir de precursores moleculares tem várias vantagens sobre outras abordagens sintéticas, pois é simples, oferece bons rendimentos que facilitam em larga escala 32. O uso de ZnO como um fotocatalisador foi estudado na degradação do corante Rodamina B sob radiação UV33,34,35. O efeito da dose do catalisador e do tamanho das partículas na eficiência de degradação dos corantes foi estudado36. Dando continuidade ao nosso trabalho anterior em síntese e hibridização de óxidos metálicos, investigamos e aplicamos como materiais eficientes no tratamento de água37,38,39,40,41,42. ZnO misturado com ZnC foi sintetizado por técnica benigna de estado sólido a partir do precursor molecular do citrato. Várias técnicas foram utilizadas na caracterização dos produtos de calcinação. A atividade fotocatalítica da mistura ZnO/ZnC sintetizada apresentou atividade fotocatalítica eficiente na degradação de diversos corantes em comparação com outros catalisadores.