Degradação fotocatalítica eficiente de poluentes orgânicos sobre nanopartículas de TiO2 modificadas com nitrogênio e MoS2 sob irradiação de luz visível

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8845 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Investigar o uso de luz visível para melhorar a degradação fotocatalítica de poluentes orgânicos em águas residuais. Nanocompósitos de titânia e sulfeto de molibdênio dopados com nitrogênio (NTM NCs) com diferentes razões de peso de MoS2 (1, 2 e 3% em peso) sintetizados por um método de estado sólido aplicado à fotodegradação de azul de metileno (MB) sob irradiação de luz visível. Os compósitos NTM sintetizados foram caracterizados por espectroscopia SEM, TEM, XRD, FT-IR, UV-Vis, DRS e PL. Os resultados mostraram atividade aumentada de nanocristais híbridos NTM na oxidação de MB em água sob irradiação de luz visível em comparação com TiO2 puro. O desempenho fotocatalítico das amostras de NTM aumentou com o teor de MoS2. Os resultados mostram que a eficiência de fotodegradação do composto de TiO2 melhorou de 13 para 82% na presença de N-TiO2 e para 99% na presença de MoS2 contendo N-TiO2, que é 7,61 vezes maior que a do TiO2. Os resultados da caracterização óptica mostram absorção aprimorada de nanocompósitos na região visível com longos tempos de vida entre e/h+ na proporção ideal de N-TiO2/MoS2 (NTM2). Experimentos reutilizáveis ​​indicaram que os fotocatalisadores NTM NCs preparados eram estáveis ​​durante a fotodegradação MB e tinham aplicações práticas para remediação ambiental.

As indústrias têxtil, de papel, cosmética, farmacêutica e alimentícia fazem uso extensivo de corantes coloridos 1,2,3. Devido a causas definidas, a água contaminada com corantes, especialmente da indústria têxtil, é difícil de limpar. A maioria desses corantes coloridos são de origem sintética e geralmente consistem em anéis aromáticos em sua estrutura molecular, inertes e não biodegradáveis ​​quando descartados em águas residuais sem tratamento adequado4,5. Portanto, a remoção desses corantes da água poluída é altamente urgente em termos de proteção da saúde humana e dos recursos ambientais 6. Acredita-se que o azul de metileno (MB), o corante base mais comumente usado, tenha múltiplos usos na indústria de impressão e tingimento 7. De acordo com Segundo um relatório, a indústria têxtil responde por cerca de 67% do mercado e/ou consumo de corantes, com 120 metros cúbicos de efluentes industriais descartados para cada tonelada de fibra produzida. Apesar da importância da MB em muitas indústrias, sua presença no meio ambiente e na saúde humana pode ser comprometida se não for gerenciada de forma eficaz. Em que o MB é cancerígeno e não se degrada devido à estabilidade característica dos anéis aromáticos na estrutura molecular do MB. Técnicas biológicas, químicas e físicas tradicionais, como adsorção e precipitação química, são reconhecidas para o tratamento de águas residuais de tingimento. Esses métodos são caros, formam lodo ou geram poluentes secundários, como a adsorção de corantes em carvão ativado, onde o poluente apenas converte da fase líquida para a fase sólida, causando poluição. infecção secundária. Assim, a decomposição dos corantes em compostos não tóxicos é essencial e recomendada 8,9,10,11. Os processos oxidativos avançados (POA) estão atualmente atraindo muita atenção no campo do tratamento de água 12. Para prolongar a vida útil dos pares elétron-buraco fotogerados, fotocatalisadores híbridos compostos de heterojunções semicondutoras14,15. Semicondutores têm sido utilizados em POAs para degradar fotocataliticamente contaminantes orgânicos, principalmente aqueles com capacidade de absorção de luz visível, devido aos seus band gaps 13,14,15,16,17,18. Entre os semicondutores fotocatalíticos, o dióxido de titânio (TiO2) tem atraído grande interesse devido à sua capacidade de decompor facilmente poluentes orgânicos, forte capacidade oxidante, baixa toxicidade, estabilidade química, baixo custo e disponibilidade19,20. O desempenho fotocatalítico do TiO2 é determinado principalmente pelo tempo de vida dos pares elétron-buraco fotogerados, mas a rápida taxa de recombinação de pares elétron-buraco no TiO2 limita sua aplicação em fotocatálise21. as heterojunções devem suprimir a taxa de recombinação rápida dos portadores de carga fotogerados 22,23. Nesse sentido, muitos esforços têm sido feitos para reduzir o gap e melhorar sua atividade fotocatalítica 24,25. Um material reconhecido para estender a faixa de fotorresposta à luz visível é dopar o TiO2 com um dopante não metálico, o nitrogênio 26,27. A combinação de TiO2 e nitrogênio em diferentes níveis de energia melhora a eficiência da separação elétron-buraco e aumenta a eficiência da reação do fotocatalisador. Além disso, combinando TiO2 com outros semicondutores bandgap, como MoS2, é possível criar fotocatalisadores heterogêneos. O MoS2 é um material não tóxico, altamente estável, fortemente oxidante e relativamente barato. Devido à sua grande área de superfície, o MoS2 pode atuar como um excelente catalisador para o N-TiO228,29. MoS2 exibe uma largura de banda ajustável dependente da camada, uma largura de banda indireta de 1,2 eV, uma largura de banda direta de 1,9 eV e alta atividade catalítica teórica 30,31. Devido ao seu bandgap, os semicondutores têm sido usados ​​em AOPs para degradar fotocataliticamente poluentes orgânicos, especialmente aqueles com a capacidade de absorver luz visível. A combinação de N-TiO2 e MoS2 em diferentes níveis de energia melhora a eficiência da separação elétron-buraco e aumenta a eficiência de a reação fotocatalítica 32,33. O trabalho aqui apresentado concentra-se na fotodegradação causada pela luz visível de contaminantes de corantes, especificamente corantes de azul de metileno (MB), em CO2 e H2O ecologicamente corretos. novo hetero-nanocompósito de N-TiO2/MoS2 (NTM) como fotocatalisador usando um método de estado sólido com baixa temperatura de síntese, eficiência de custo e fácil controle da cinética da reação em comparação com outros métodos. Além disso, as propriedades físico-químicas das amostras obtidas foram extensivamente investigadas para descobrir a excelente atividade fotocatalítica para a decomposição do MB sob radiação de luz visível em comparação com o TiO2 puro. O NTM sintetizado provou ser um fotocatalisador eficaz para aplicações em proteção ambiental.