FUNCIONALIZAÇÃO DE NANOTUBOS DE TITANATO PARA APLICAÇÕES AMBIENTAIS

Abstract

RESUMO: Nanoestruturas baseadas em TiO2, particularmente os titanatos, atraiu grande atenção da comunidade científica. Dentre eles, os nanotubos de titanato recebem cada vez mais atenção, pois apresentam uma elevada área superficial específica, facilidade de troca iônica e grupos hidroxilas na superfície. Baseando-se nesse contexto, os objetivos gerais deste estudo foram sintetizar nanoestruturas titanato decorados com nanopartículas de anatase, funcionalizar nanotubos de titanato com nanopartículas de ouro e com grupo amina para aplicações em fotocatálise, na produção de hidrogênio e na adsorção de corantes aniônicos, respectivamente. Nanotubos de titanato decorados com nanopartículas de anatase com diâmetro médio de 3,3 nm foram obtidos pela síntese em uma única etapa usando o método hidrotérmico alcalino assistido por micro-ondas a partir do pó de anatase puro. A formação da heteroestrutura pode ser explicada pelo mecanismo que envolve a formação de nanotubos de titanato seguido de corrosão das paredes por hidróxido de sódio e recristalização de nanopartículas de anatase sobre a superfície dos nanotubos. Também foi produzido, nanotubos de titanato protonados decorados com nanopartículas de ouro, por um método livre de agente de encapsulamento orgânico, o diâmetro médio das nanopartículas de ouro foi medido em 9,6 nm, utilizando esse fotocatalisador sintetizado ocorreu um aumento na produção de hidrogênio de aproximadamente 600%, usando glicerol como agente de sacrifício, esse aumento pode ser atribuído ao potencial catalítico intrínseco das nanopartículas de ouro, bem como suas interações de ressonância plasmônica de superfície com os nanotubos de titanato. Outro nanomaterial produzido foi, nanotubos de titanato funcionalizados com grupo amina, obtido a partir da reação de nanotubos de titanato de sódio com 3-aminopropiltrimetoxissilano, foram utilizados como adsorvente do corante aniônico azul de remazol R em solução aquosa. A análise elementar CHN revelou uma razão molar de C/N = 3,28, a difração de raios X evidenciou que ocorreu a preservação da estrutura cristalina e da morfologia nanotubular após a interação covalente do silano com a superfície dos nanotubos. Os testes de adsorção mostraram que os nanotubos funcionalizados possuem capacidade de adsorção do corante aniônico em torno de 435,68 mg g-1 e que o processo ocorre por quimissorção em monocamada, sendo exotérmico e termodinamicamente favorável. Estes resultados sugerem que os nanotubos amino funcionalizados podem ser utilizados como material alternativo para a remoção do corante azul de remazol em solução aquosa. Por fim, ressalta-se que os produtos obtidos nesse trabalho são materiais com potencial para aplicações fotocatálise, produção de hidrogênio e adsorção. Abstract: Nanostructured materials have been successfully diffused in recent decades, due to their size and intriguing structural properties that can be explored, thus having a great potential for application in a wide area of nanotechnology, which has stimulated the search for different synthesis methods that can control the main properties of nanomaterials to suit them for special applications. TiO2- based nanostructures, particularly titanates, attracted wide attention from the scientific community. Among them, titanate nanotubes are receiving increasing attention because they have a high specific surface area, ease of ion exchange and hydroxyl groups on the surface. Based on this context, the general objectives of this study were to synthesize titanate nanostructures decorated with anatase nanoparticles, functionalize titanate nanotubes with gold nanoparticles and amino group for photocatalysis, hydrogen production and anionic dye adsorption applications, respectively. Titanate nanotubes decorated with anatase nanoparticles with an average diameter of 3.3 nm were obtained by one-step synthesis performed using a microwave-assisted alkaline hydrothermal method from pure anatase powder. The formation of the heterostructure can be explained by the mechanism involving the formation of titanate nanotubes followed by corrosion of the walls by sodium hydroxide and recrystallization of anatase nanoparticles on the surface of the nanotubes. Protonated titanate nanotubes decorated with gold nanoparticles were also produced by an organic encapsulating agent-free method, the mean diameter of the gold nanoparticles was measured at 9.6 nm, using the synthesized photocatalyst an increase in hydrogen production of approximately 600%, using glycerol as a sacrificial agent, this increase can be attributed to gold's intrinsic catalytic potential as well as its surface plasmon resonance interactions with titanate nanotubes. Another nanomaterial produced was amine-functionalized titanate nanotubes, obtained from the reaction of sodium titanate nanotubes with 3- aminopropyltrimethoxysilane, were used as adsorbent of remazol R blue anionic dye in aqueous solution. The elementary CHN analysis revealed a molar ratio of C/N = 3.28, the crystalline structure and nanotubular morphology were preserved after the covalent interaction of silane with the nanotube surface. The adsorption tests showed that the functionalized nanotubes have anionic dye adsorption capacity around 435.68 mg g-1 and that the process occurs by monolayer chemoreaction, being exothermic and thermodynamically favorable. These results suggest that amino-functionalized nanotubes may be used as an alternative material for the removal of remazol blue dye in aqueous solution. Finally, it is emphasized that the products obtained in this work are materials with potential for different applications in photocatalysis, hydrogen production and adsorption.