Nova luz sobre o desempenho fotocatalítico de NH4V4O10 e seu compósito com rGO

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3946 (2023) Citar este artigo

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A fotocatálise movida a energia solar mostrou grande potencial como uma tecnologia sustentável de tratamento de águas residuais que utiliza energia solar limpa para a degradação de poluentes. Consequentemente, muita atenção está sendo dada ao desenvolvimento de novos materiais fotocatalisadores eficientes e de baixo custo. Neste estudo, relatamos a atividade fotocatalítica do NH4V4O10 (NVO) e seu composto com rGO (NVO/rGO). As amostras foram sintetizadas por meio de um método hidrotérmico simples de um pote e caracterizadas com sucesso usando XRD, FTIR, Raman, XPS, XAS, TG-MS, SEM, TEM, adsorção de N2, PL e UV‒vis DRS. Os resultados indicam que os fotocatalisadores NVO e NVO/rGO obtidos exibiram absorção eficiente na região do comprimento de onda do visível, alto teor de espécies superficiais V4+ e área superficial bem desenvolvida. Tais características resultaram em excelente desempenho na fotodegradação do azul de metileno sob iluminação solar simulada. Além disso, o composto de NH4V4O10 com rGO acelera a fotooxidação do corante e é benéfico para a reutilização do fotocatalisador. Além disso, foi demonstrado que o compósito NVO/rGO pode ser usado com sucesso não apenas para a fotooxidação da poluição orgânica, mas também para a fotorredução de poluentes inorgânicos como o Cr(VI). Finalmente, um experimento de captura de espécies ativas foi conduzido e o mecanismo de fotodegradação foi discutido.

O crescimento populacional e a rápida urbanização afetam negativamente o ambiente aquoso. Todos os dias, indústrias, agricultura e residências geram grandes quantidades de águas residuais que podem poluir rios, lagos e mares. Uma das maiores preocupações são as contaminações orgânicas, como corantes ou antibióticos, que geralmente são tóxicos e não biodegradáveis1. Mesmo baixas concentrações de corantes em sistemas de água podem ser muito perigosas para a vida aquática devido ao bloqueio da luz solar necessária para a fotossíntese2,3. Outro grupo perigoso de poluentes são os íons de metais pesados, que são altamente solúveis em ambientes aquáticos e não biodegradáveis ​​e, portanto, tendem a se acumular em organismos vivos diretamente ou através da cadeia alimentar4. O efeito tóxico de muitos metais pesados ​​é indiscutível e, em muitos casos, a exposição a vestígios desses metais pode causar sérios danos à saúde humana e ao ecossistema5. Por exemplo, o Cr(VI) é altamente cancerígeno. A Agência de Proteção Ambiental dos EUA o listou entre os 20 primeiros na Lista de Substâncias Perigosas Prioritárias6, enquanto o limite seguro recomendado pela OMS de Cr(VI) na água potável é igual a 0,1 ppm7. Infelizmente, as águas residuais industriais provenientes da fabricação de tintas, papéis, conservantes ou tratamento de superfícies metálicas (galvanoplastia) ainda podem ser listadas como a principal fonte de Cr(VI). Portanto, é muito importante remover os poluentes acima mencionados das águas residuais e proteger o meio ambiente. Muitos métodos de tratamento de águas residuais têm sido propostos, como adsorção, filtração, coagulação ou degradação fotocatalítica8. Em particular, este último é altamente promissor, pois não apenas remove as contaminações, mas também leva à sua decomposição. Assim, em comparação com outros métodos populares nos quais os contaminantes são transferidos de uma fase para outra, a fotocatálise vence devido à ausência de poluição secundária. Além disso, o processo geralmente é rápido, geralmente usa uma fonte natural de luz e pode ser realizado em condições ambientais. Devido às vantagens acima, pesquisar e desenvolver novos materiais fotocatalíticos é um importante tópico de pesquisa em andamento9,10. Dentre os diversos materiais, os óxidos metálicos têm sido extensivamente investigados para a fotodegradação de poluentes da água11,12. Os óxidos à base de vanádio são particularmente promissores devido à sua eficiente capacidade de captação de luz visível (devido ao seu intervalo de banda estreito, Eg ̴2eV), alta estabilidade química e atividade catalítica significativa13,14. Muitos vanadatos metálicos foram propostos como fotocatalisadores promissores movidos a energia solar. Exemplos incluem Cu3V2O815, Ag3VO4/AgVO316, InVO417 ou BiVO418, que são os catalisadores mais conhecidos neste campo. Recentemente, propusemos o uso de um simples sal de potássio (formato de potássio) como uma alternativa promissora para a síntese de fotocatalisadores movidos a luz visível. Os vanadatos de potássio obtidos (KV3O8, K2V6O16•nH2O) exibiram excelente atividade fotocatalítica, resultando em mais de 90% de degradação do azul de metileno (MB) nos primeiros 30 min19.