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Tipo: Tese
Título: DESENVOLVIMENTO DE NANOMATERIAIS FOTOATIVOS À BASE DE TITÂNIO PARA FOTOGERAÇÃO DE H2 E FOTODEGRADAÇÃO DO IBUPROFENO
Autor(es): Emerson Faustino
Primeiro orientador: Amilcar Machulek Junior
Resumo: Os Processos Oxidativos Avançados (POAs) geram radicais oxidantes, como o radical hidroxila (HO • ), fundamentais na degradação de contaminantes emergentes não removidos por métodos convencionais. Dentre os POAs, a fotocatálise heterogênea com TiO 2 destaca-se pela elevada atividade fotocatalítica, estabilidade e baixo custo. Neste contexto, a presente pesquisa desenvolveu, caracterizou e aplicou dois tipos de nanomateriais à base de titânio: (1) TiO 2 derivado da calcinação das MOFs (MOF = metal-organic frameworks) MIL-125(Ti) (MIL = Materials Institute Lavoisier) e 2,5-PDC-MIL-125(Ti); e (2) TiO 2 suportado em biocarvão (BC), obtido a partir da casca de laranja (Citrus sinensis) e do sarmiento de uva (Vitis vinifera). Esses materiais foram projetados para atender a duas aplicações principais: (i) a fotogeração de hidrogênio (H 2 ), um combustível limpo e renovável, a partir da oxidação do glicerol, e (ii) a fotodegradação de contaminantes emergentes, utilizando como contaminante modelo o fármaco ibuprofeno. Para a preparação das estruturas metal-orgânicas, utilizou-se reator solvotermal, a estrutura formada foi calcinada a 450 ºC, convertendo as MOFs em compostos de TiO 2 . O biocarvão foi obtido com e sem atmosfera de nitrogênio. O TiO 2 foi suportado em BCs e também calcinado a 450 ºC. Os materiais à base de titânio apresentaram propriedades favoráveis à sua aplicação, incluindo alta estabilidade térmica e uma estrutura porosa eficiente na fotogeração de H 2 , reação para a qual se utilizou glicerol como doador de elétrons. A máxima eficiência foi observada em pH 6, gerando 0,31 µmol de H 2 em 240 min para o material MOF/TiO 2 , enquanto o 2,5-PDC- MOF/TiO 2 gerou 0,25 µmol de H 2 , além da formação de subprodutos como gliceraldeído e dihidroxiacetona. Nos experimentos de fotodegradação do ibuprofeno, em diferentes proporções de TiO 2 /BC, os melhores resultados foram obtidos com a proporção 1:0,1 com BC de sarmiento, removendo 87% do ibuprofeno. Isso demonstra que a substituição de parte do TiO 2 por BC não ocasiona perda de eficiência, reduzindo custos operacionais, revelando-se uma alternativa viável para tratamentos ambientais e com excelente potencial para aplicações em larga escala. Durante os experimentos de fotogeração, no pH mais alto (básico) favoreceu a seletividade para dihidroxiacetona. Ambos os materiais foram caracterizados por técnicas avançadas, como DRS UV-VIS (Espectroscopia de Reflectância Difusa em UV-Vis), FTIR-ATR (Espectroscopia na região do Infravermelho com Transformada de Fourier com Refletância Total Atenuada), SEM (Microscopia Eletrônica de Varredura), TEM (Microscopia Eletrônica de Transmissão), TG (Análise Termogravimétrica), XPS (Espectroscopia de Fotoelétrons Excitados por Raios X), DRX (Difração de Raios X) e BET (Brunauer, Emmett e Teller), que confirmaram suas propriedades estruturais, térmicas e fotocatalíticas. As análises demonstraram que a MOF foi modificada, resultando em TiO 2 . O estiramento de carboxilatos (COO − ) indicou que os ligantes foram destruídos em ambas as MOFs, permitindo a formação de TiO 2 . A área superficial do fotocatalisador MOF/TiO 2 é 376 m 2 g -1 e, após a calcinação, resultou em 59 m 2 g -1 . O DRX apresentou picos característicos de TiO 2 nas fases anatase e rutilo. Já para os materiais suportados em biocarvões, a área superficial do TiO 2 /BC (90,31 m 2 g -1 , para o 1:0,5 LN) foi maior do que a do TiO 2 puro (18,94 m 2 g -1 ). A energia de band gap (E bg ) dos materiais TiO 2 /BC foi de aproximadamente 3,11 e 3,15 eV. Os resultados obtidos confirmam que os materiais à base de titânio são soluções promissoras para a geração de energia limpa e a remediação ambiental.
Abstract: Advanced Oxidation Processes (AOPs) generate oxidative radicals, such as the hydroxyl radical (HO•), which are fundamental in the degradation of emerging contaminants not removed by conventional methods. Among AOPs, heterogeneous photocatalysis with TiO 2 stands out due to its high photocatalytic activity, stability, and low cost. In this context, this research developed, characterized, and applied two types of titanium-based nanomaterials: (1) TiO 2 derived from the calcination of the MOFs (MOF = metal-organic frameworks) MIL- 125(Ti) (MIL = Materials Institute Lavoisier) and 2,5-PDC-MIL-125(Ti); and (2) TiO 2 supported on biochar (BC), obtained from orange peel (Citrus sinensis) and grapevine branches (Vitis vinifera). These materials were designed to meet two main applications: (i) hydrogen (H 2 ) photogeneration, a clean and renewable fuel, through glycerol oxidation, and (ii) photodegradation of emerging contaminants, using the pharmaceutical ibuprofen as a model contaminant. For the preparation of the metal-organic structures, a solvothermal reactor was used, and the formed structure was calcined at 450 ºC, converting the MOFs into TiO 2 compounds. Biochar was obtained with and without a nitrogen atmosphere. The TiO 2 was supported on BCs and also calcined at 450 ºC. The titanium-based materials exhibited properties favorable for their application, including high thermal stability and a porous structure efficient for H 2 photogeneration, a reaction in which glycerol was used as an electron donor. The highest efficiency was observed at pH 6, generating 0.31 µmol of H₂ in 240 minutes for the MOF/TiO 2 material, while the 2,5-PDC-MOF/TiO 2 generated 0.25 µmol of H₂, along with the formation of by-products such as glyceraldehyde and dihydroxyacetone. In ibuprofen photodegradation experiments, at different TiO 2 /BC ratios, the best results were obtained with the 1:0.1 ratio using grapevine branch BC, removing 87% of the ibuprofen. This demonstrates that replacing part of the TiO 2 with BC does not cause a loss of efficiency, reducing operational costs and proving to be a viable alternative for environmental treatments with excellent potential for large-scale applications. During photogeneration experiments, a higher (basic) pH favored the selectivity for dihydroxyacetone, due to the greater stability of the oxidative intermediates. Both materials were characterized by advanced techniques, such as UV-VIS DRS (Diffuse Reflectance Spectroscopy in UV-Vis), FTIR-ATR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy with Attenuated Total Reflectance), SEM (Scanning Electron Microscopy), TEM (Transmission Electron Microscopy), TG (Thermogravimetric Analysis), XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy), XRD (X-ray Diffraction), and BET (Brunauer, Emmett, and Teller), which confirmed their structural, thermal, and photocatalytic properties. The analyses showed that the MOF was modified, resulting in TiO 2 . The carboxylate stretching (COO−) indicated that the ligands were destroyed in both MOFs, allowing the formation of TiO₂. The surface area of the MOF/TiO 2 photocatalyst is 376 m²g⁻¹ and, after calcination, it resulted in 59 m²g⁻¹. XRD showed characteristic peaks of TiO 2 in the anatase and rutile phases. For the materials supported on biochars, the surface area of TiO 2 /BC (90.31 m²g⁻¹ for the 1:0.5 LN ratio) was higher than that of pure TiO 2 (18.94 m²g⁻¹). The band gap energy (Ebg) of the TiO₂/BC materials was approximately 3.11 and 3.15 eV. The results obtained confirm that titanium-based materials are promising solutions for clean energy generation and environmental remediation.
Palavras-chave: TiO 2
glicerol
gás hidrogênio (H 2 )
biocarvão
ibuprofeno
País: Brasil
Editor: Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
Sigla da Instituição: UFMS
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/11873
Data do documento: 2025
Aparece nas coleções:Programa de Pós-graduação em Química

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