Síntese e caracterização de heteroestruturas de óxido de zinco (ZnO) com nitreto de carbono (C3N4) para aplicações fotocatalíticas heterogêneas

Abstract

O enfrentamento dos problemas ambientais relacionados à contaminação de águas e do ar e a geração de energia renovável dependem do desenvolvimento de materiais mais eficientes, baratos, estáveis e de fácil utilização. A fotocatálise heterogênea com semicondutores vem sendo estudada para estas aplicações, no entanto, ainda existem desafios para tornar a fotocatálise heterogênea viável em um processo em larga escala. A associação de diferentes semicondutores formando uma heteroestrutura surge como uma ótima alternativa para se superar estes desafios, contudo, o próprio processo de obtenção de uma heteroestrutura é desafiador. Neste sentido, este trabalho apresenta um método considerado simples para a obtenção de fotocatalisadores heteroestruturados compostos por ZnO e g-C3N4. As partículas cristalinas de ZnO foram obtidas pelo método sol-gel hidrolítico, utilizando acetato de zinco como precursor sob pH controlado à temperatura ambiente, e o g-C3N4 (amostra denominada CN) foi obtido por policondensação térmica da melamina a 550 ºC por 2 h. As heteroestruturas de ZnO:CN foram obtidas por precipitação de ZnO em dispersões contendo 15%, 50% e 85% da CN, que foram referidos como ZnO:CN15%, ZnO:CN50% e ZnO:CN85%, respectivamente. As amostras sintetizadas apresentaram ambas as fases desejadas, ZnO cristalino na fase wurtzita e g-C3N4, em composições semelhantes às esperadas. As heteroestruturas mostraram espectros com bandas de absorção deslocadas para a região visível e menores valores de band gap que o ZnO puro devido à presença de g-C3N4 nas heteroestruturas, o que torna este material interessante para aplicações fotocatalíticas no visível ou sob radiação solar. Além disso, as heteroestruturas de ZnO:CN foram ativas para degradar o fármaco amilorida (AML) sob irradiação visível e ultravioleta. A amostra ZnO:CN50% apresentou o melhor desempenho, atribuída à formação de mais heterojunções entre ZnO e g-C3N4, provavelmente formando uma heteroestrutura tipo II. As heteroestruturas também foram aplicadas em testes de conversão de CO2 onde apresentou fotorredução em produtos de valor agregados como monóxido de carbono, metano e etileno. A associação dos dois semicondutores resultou em maior estabilidade do fotocatalisador, o que é extremamente importante para aplicações fotocatalíticas em larga escala, especialmente no caso do uso do ZnO que geralmente apresenta estabilidade dependente do pH.