Desenvolvimento do processo de síntese de nanopartículas de óxido de titânio

Abstract

Incentivadas pela necessidade emergente de uma sustentabilidade energética e económica global, várias iniciativas estatais e privadas têm investido no estudo e desenvolvimento de materiais com capacidade de aproveitamento de fontes de potencial renovável. Entre uma considerável diversidade de materiais com capacidade fotovoltaica, inserem-se semicondutores como o dióxido de titânio (TiO2), que se faz destacar pela acessibilidade de custo de produção oferecida e detenção de propriedades eletroquímicas promissoras. A investigação sobre este óxido semicondutor existe em contínuo desenvolvimento há décadas, havendo um especial interesse na capacidade de adequar o seu hiato energético às caraterísticas especificas que o espetro de emissão solar apresenta na superfície terrestre. Atualmente, a principal abordagem a este desafio, decorre sobre mecanismos de dopagem que se sabem aumentar a capacidade de absorção de radiação visível. A síntese deste material, na forma de nano-particulados encontra-se relativamente bem documentada, constituindo o método sol-gel um método bastante simples e direto da sua obtenção. Pretende o presente trabalho, discorrer sobre a produção de nanopartículas de dióxido de titânio dopado com azoto, com capacidade acrescida de resposta à radiação visível, através desse método de produção. O trabalho considerado visa o estudo da cristalinidade, capacidade fotocatalítica e alteração induzida pelas variáveis de processamento também no hiato energético do TiO2. Para tal empregaram-se várias técnicas de caraterização espetroscópica: espetroscopia de ultravioleta/visível, espectroscopia foto-eletrónica de raios X (EFX) e dispersão de luz dinâmica, a par de difração de raios X (DRX) e ensaios de degradação de um simulador de poluente orgânico (Azul-de-Metileno), na presença dos materiais processados e de uma fonte de radiação artificial. Verificou-se uma inibição tanto da cristalização, como da transição polimórfica entre as formas de anatase e rutilo do TiO2, quando tratado termicamente em alto vácuo (10-6 mbar), por comparação com a informação reportada na literatura e aquela obtida experimentalmente para o tratamento numa atmosfera ambiente. A atividade fotocatalítica das partículas sintetizadas revelou-se extremamente dependente da morfologia e estados eletrónicos superficiais; a sua diminuição pode ser atribuída à perda de grupos hidroxilos remanescentes do processo de síntese, com o tratamento térmico das amostras em ambas as atmosferas.

Driven by the urging need of global energetic and economical sustainability, many public and private organizations make considerable investment on the study and development of materials capable of appropriating renewable source’s potential. Within a considerable fair range of photovoltaic materials, titanium dioxide (TiO2), among other semiconductors, has been under spotlight for some decades now, owing not only to low-cost associated production, but also, much to its promising electrochemical properties. Investigation on this semiconductor oxide has been, as already stated, in continuous and somewhat fruitful development for the last years, and great effort has been put on narrowing is band gap, thus making it more sensitive to visible-light induced photovoltaic’s. Nowadays, the generalized approach to this challenge consists in inducing band gap narrowing through doping mechanisms. TiO2 particle synthesis is relatively well documented, the sol-gel method being a rather simple and inexpensive method of attaining such purpose. Therefore, the present work aims to study the development process inherent do nitrogen-doped titanium dioxide, obtained through sol-gel route, which ultimately will be able to exhibit photoelectric capabilities under visible light irradiation. The sensitive measures included in this study intend to characterize titanium dioxide crystallinity and photocatalytic activity, and also, infer how process variables influence the semiconductor energy band gap. Among the measurements performed are included many spectroscopic techniques, such as x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), ultraviolet and visible light spectroscopy, dynamic light scattering (DLS), aided by x-ray diffraction (XRD) and artificial light induced photocatalysis assessment, derived from the decomposition of an organic dye (Methylene Blue), which acts as an organic pollutant. Inhibition of crystallization and polymorphic transition from TiO2 anatase to rutile has been observed in high vacuum sintering (10-6 mbar), considering given literature data and experimental results for air thermal treatment. Also, photocatalytic activity of processed powders seems to be largely dependent on specific surface morphology and electronic states; the thermal treatment appearing to be responsible for the loss of hydroxyl features, which are known to play a major role in photo-degradation processes.