Efeito da incorporação de espuma mesocelular de sílica nas propriedades estruturais e fotocatalíticas de criogéis de ZnO e TiO2

Abstract

Este trabalho descreve a obtenção de criogéis nanocompósitos de SiO2/ZnO e SiO2/TiO2, utilizando a espuma mesocelular de sílica (MCF) como incorporante. Os géis úmidos foram sintetizados partindo de um rota sol-gel, utilizando os precursores metálicos de ZnCl2 e TiCl3, com gelificação assistida por epóxido e secos por meio de liofilização. Os sólidos obtidos foram tratados termicamente em diferentes temperaturas e caracterizados suas propriedades composicionais e estruturais. A caracterização de superfície, para ambos os sistemas, infere que a incorporação da espuma mesocelular de sílica (MCF) promove um aumento na área superficial dos criogéis. As micrografias de microscopia eletrônica de varredura, indicam que nos criogéis nanocompósitos, as partículas de óxido metálico, recobrem a superfície da sílica, inibindo a coalescência do material que é observada nos criogéis sem a incorporação da espuma. Os dados de difração de raios X indicam que para o sistema SiO2/TiO2, especialmente, na temperatura de 1000 ºC, os compósitos apresentam uma melhor estabilidade térmica, em relação a preservação da fase anatase. Para o sistema SiO2/ZnO, observa-se a ocorrência de uma reação em estado sólido, quando os compósitos são tratados a 750 ºC e 1000 ºC, levando a formação de silicato de zinco (Zn2SiO4). Um estudo de aplicação desses nanocompósitos foi avaliado através de experimentos de fotocatálise, utilizando a Rodamina B, que indicam que a cristalinidade para os materiais de ZnO é um fator determinante para a melhor performance catalítica desse sólido. A baixa performance do Zn2SiO4, nessa aplicação, é também confirmada através dos valores de degradação do corante menores que 10%. Por sua vez, a proporção entre os polimorfos anatase e rutilo, exibem a importância da composição controlada de fases para o TiO2, uma vez que o compósito de SiO2/TiO2 1:1 tratado a 750 ºC, apresenta quantificação próxima a 92% em anatase e 8% em rutilo, exibindo a melhor performance catalítica dentre os materiais relatados neste trabalho. Com base nos dados obtidos, observa-se que uma melhor sinergia entre as propriedades: área superficial, cristalinidade e composição de fases, é relatada para o sistema SiO2/TiO2. A atividade catalítica dos compósitos de titânia é superior, aos seus materiais isolados, mesmo quando submetidos a altas temperaturas. Por sua vez, uma fotoatividade reduzida é observada para o material de SiO2/ZnO, quando comparado ao criogel controle. Esses resultados exibem a melhor performance catalítica para o sistema SiO2/TiO2 nas aplicações relacionadas a fotocatálise heterogênea.

Abstract: This study describes the production of SiO2/ZnO and SiO2/TiO2 nanocomposite cryogels using mesocellular silica foam (MCF) as an incorporating agent. The wet gels were synthesized using a sol-gel route, using the metallic precursors ZnCl2 and TiCl3, with epoxide-assisted gelation, and dried by freeze-drying. The solids obtained were heat-treated at different temperatures and their compositional and structural properties were characterized. Surface characterization for both systems shows that the incorporation of mesocellular silica foam (MCF) promotes an increase in the surface area of the cryogels. Scanning electron microscopy micrographs indicate that in the nanocomposite cryogels, the metal oxide particles cover the surface of the silica, inhibiting the coalescence of the material that is observed in cryogels without the incorporation of the foam. The X-ray diffraction data indicates that for the SiO2/TiO2 system, especially at a temperature of 1000 ºC, the composites show better thermal stability in terms of preserving the anatase phase. For the SiO2/ZnO system, a solid-state reaction is observed when the composites are treated at 750 ºC and 1000 ºC, leading to the formation of zinc silicate (Zn2SiO4). An application study of these nanocomposites was evaluated through photocatalysis experiments using Rhodamine B, which indicate that the crystallinity of ZnO materials is a determining factor for the best catalytic performance of this solid. The low performance of Zn2SiO4 in this application is also confirmed by the dye degradation values of less than 10%. In turn, the proportion between anatase and rutile polymorphs shows the importance of controlled phase composition for TiO2, since the SiO2/TiO2 1:1 composite treated at 750 ºC shows quantification close to 92% anatase and 8% rutile, showing the best catalytic performance among the materials reported in this work. Based on the data obtained, it can be seen that a better synergy between the properties: surface area, crystallinity and phase composition is reported for the SiO2/TiO2 system. The catalytic activity of titania composites is higher than that of their isolated materials, even when subjected to high temperatures. In turn, reduced photoactivity is observed for the SiO2/ZnO material when compared to the control cryogel. These results show the best catalytic performance for the SiO2/TiO2 system in applications related to heterogeneous photocatalysis.