Aerogéis fotocatalíticos termoestáveis de SiO2/TiO2: influência de diferentes estruturas de sílica nas propriedades estruturais e na atividade fotocatalítica

Abstract

Este trabalho descreve o desenvolvimento e a caracterização de aerogéis nanoestruturados compósitos de SiO2/TiO2, incorporando espuma mesocelular de sílica (MCF), esferas submicrométricas de sílica Sto¨ber, e co-condensação utilizando precursor molecular TEOS. Para a preparação dos aerogéis foi utilizado rota sol-gel usando precursor TiCl3 e gelificação iniciada por epóxido, seguida por secagem em CO2 supercrítico. A caracterização das propriedades estruturais e texturais dos aerogéis SiO2/TiO2 tratados em diferentes temperaturas foi realizada pelas técnicas de XRD, XAS, SEM e fisissorção de N2. Os resultados de caracterização demonstraram que a incorporação da sílica aumenta significativamente a estabilidade dos aerogéis baseados em titânia, sendo esse efeito dependente da sílica adicionada e do grau de interação entre sílica e titânia. Após tratamentos térmicos a temperaturas tão altas como 1000 ºC, os aerogéis de SiO2/TiO2 apresentaram altas percentagens em massa de fase anatase, chegando a 100% em alguns casos, enquanto os aerogéis de TiO2 puro sofreram transformação completa em rutilo e aumento de tamanho de cristalito (>100 nm). Em particular, a adição de sílica via co-condensação com precursor TEOS foi a estratégia que levou a maior capacidade de inibição da transformação de fase e aumento da estabilidade térmica dos aerogéis resultantes, o que pode ser atribuído a interação das cadeias de sílica e titânia a nível molecular via formação de ligações Si-O-Ti, como sugerido pelos resultados de XAS. Ensaios fotocatalíticos de degradação do corante Rodamina B indicaram que a atividade fotocatalítica dos aerogéis nanocompósitos é diretamente influenciada pela forma/microestrutura da sílica incorporada. Os aerogéis de SiO2/TiO2 preparados com a adição de partículas de MCF foram os materiais que apresentaram maior atividade fotocatalítica, até 11 vezes superior ao aerogel de TiO2 puro, tratado sob as mesmas condições. Podendo ser relacionado a um controle mais eficiente da transformação de fase e da cristalinidade, de alta área superficial e estrutura de poros após os tratamentos a temperaturas elevadas. Os resultados do presente estudo revelam a importância da forma/microestrutura de sílica adicionada e do grau de interação entre sílica e titânia para o desenvolvimento de aerogéis termoestáveis e com alta atividade fotocatalítica.

Abstract: This study describes the development and characterization of SiO2/TiO2 composite aerogels incorporating silica mesocellular foam (MCF), submicron Sto¨ber silica spheres, and co-condensation using the TEOS molecular precursor. The sol-gel method was employed to prepare the aerogels using TiCl3 precursor and epoxide-initiated gelation, followed by supercritical CO2 drying. Structural and textural characterization of the SiO2/TiO2 aerogels treated at various temperatures was performed using XRD, XAS, SEM, and N2 physisorption techniques. The characterization results demonstrated that the incorporation of silica significantly enhances the stability of the titania-based aerogels, and this effect is dependent on the amount of silica added and the degree of interaction between silica and titania. After thermal treatments at temperatures up to 1000 °C, the SiO2/TiO2 aerogels exhibited high mass percentages of the anatase phase, reaching 100 % in some cases. In contrast, the pure TiO2 aerogels underwent a complete transformation into rutile and showed an increase in crystallite size (greater than 100 nm). Notably, the addition of silica via co-condensation with the TEOS precursor proved to be the strategy that most effectively inhibited phase transformation and enhanced the thermal stability of the aerogels. This can be attributed to the interaction between the silica and titania networks at the molecular level, forming Si?O?Ti bonds, as indicated by the XAS results. Photocatalytic degradation tests of Rhodamine B dye revealed that the photocatalytic activity of the nanocomposite aerogels is directly influenced by the shape and microstructure of the incorporated silica. The SiO2/TiO2 aerogels containing MCF particles exhibited the highest photocatalytic activity, up to 11 times greater than that of pure TiO2 aerogels, when treated under the same conditions. This enhanced activity is likely due to more efficient control over phase transformation and crystallinity, as well as the high surface area and pore structure achieved after high-temperature treatments. The results of this study underscore the importance of the shape and microstructure of the incorporated silica and the degree of interaction between silica and titania in the development of thermostable aerogels with high photocatalytic activity.