Magnetita decorada com bismuto semimetálico para degradação de poluentes orgânicos emergentes: uma alternativa verde e eficiente

Abstract

O desenvolvimento de catalisadores de baixo custo para degradação de poluentes emergentes, como nitrobenzenos e corantes, é fundamental para o avanço das aplicações industriais e dos processos de remediação ambiental. Neste estudo, apresentamos a síntese de bismuto metálico suportado em nanopartículas de magnetita (Mag-Bi), avaliado em duas aplicações catalíticas. A primeira é a redução do 4-nitrofenol (4-NF) a 4-aminofenol (4-AF), utilizando NaBH4 como agente redutor, foi demostrada uma alta atividade catalítica com a conversão do reagente acontecendo em apenas 1,0 minuto. Essa reação, na presença do catalisador Mag-Bi, apresentou uma constante cinética de primeira ordem 72 vezes maior do que à do material utilizado como suporte, a magnetita. A análise do perfil de saturação dos reagentes indicou que a reação segue o mecanismo de Langmuir-Hinshelwood. Além disso, o Mag-Bi foi eficiente como catalisador na redução de outros nitrobenzenos, como 4-nitrotolueno, 1-cloro-4-nitrobenzeno e 2,4-dinitrofenol, com o parâmetro atividade comparável a metais nobres como Au, Ag, Pt e Pd. Em uma segunda aplicação, o Mag-Bi também foi utilizado como fotocatalisador na degradação do corante rodamina B (RB), apresentando excelente desempenho sob luz visível em pH 3. O mecanismo proposto para a fotodegradação indica que a repulsão eletrostática esperada entre a RB e o fotocatalisador, ambos carregados positivamente, é superada devido a geração de espécies reativas de oxigênio como radicais hidroxila (?OH) e superóxido (?O2-). A degradação da RB ocorre majoritariamente pelas lacunas positivas geradas no bismuto e, em menor quantidade, por ?O2- produzidos pela oxidação da água. Para ambas as reações, os efeitos da temperatura, da concentração dos reagentes e da massa do catalisador foram investigados. Após o uso, o Mag-Bi foi facilmente recuperado com um ímã e reutilizado de forma eficiente em quatro ciclos consecutivos. Esses resultados destacam o Mag-Bi como um catalisador promissor para a redução de nitrobenzenos e a fotodegradação de corantes, aliando excelente desempenho catalítico e boa reciclabilidade.

Abstract: Developing low-cost catalysts for the degradation of emerging pollutants, such as nitrobenzene and dyes, is crucial for advancing industrial applications and environmental remediation processes. This study presents the synthesis of metallic bismuth supported on magnetite nanoparticles (Mag-Bi), evaluated in two catalytic applications. The first is the reduction of 4-nitrophenol (4-NF) to 4-aminophenol (4-AP), using NaBH4 as the reducing agent, the catalyst demonstrated high catalytic activity, achieving complete conversion in just 1 minute. In the presence of the Mag-Bi catalyst, this reaction exhibited a first-order kinetic constant 72 times higher than the magnetite control. The analysis of the reagent saturation profile indicated that the reaction follows the Langmuir-Hinshelwood mechanism. Furthermore, Mag-Bi was effective as a catalyst in the reduction of other nitrobenzene, including 4-nitrotoluene, 1-chloro-4-nitrobenzene, and 2,4-dinitrophenol, with an activity parameter comparable to noble metals such as Au, Ag, Pt, and Pd. As a second application, Mag-Bi was also used as a photocatalyst in the degradation of rhodamine B (RB), exhibiting excellent performance under visible light at pH 3. The proposed mechanism for photocatalysis suggests a strong interaction of RB with the catalyst surface due to the generation of reactive oxygen species, such as hydroxyl radicals (?OH) and superoxide radicals (?O2?). RB degradation occurs mainly through the positive holes generated in the bismuth and, to a lesser extent, through ?O2? produced by water oxidation. The effects of temperature, reagent concentration, and catalyst loading were investigated for both reactions. After use, Mag-Bi was easily recovered using a magnet and efficiently reused for four consecutive cycles. These results highlight Mag-Bi as a promising catalyst for the reduction of nitrobenzenes and the photocatalytic degradation of dyes, combining catalytic performance with good recyclability.