Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/45821

TitleModelação de nanocatalisadores para aplicações fotocatalíticas
Author(s)Ferreira, Catarina Gonçalves
Advisor(s)Lanceros-Méndez, S.
Melle-Franco, M.
Issue date3-Feb-2017
Abstract(s)A fotocatálise heterogénea, com recurso a semicondutores, tem sido um dos principais processos de tratamento de aguas contaminadas. Entre os possíveis catalisadores existentes, o dióxido de titânio (TiO2) e aquele cujas propriedades mais se adequam aos processos fotocatalíticos, uma vez que este composto é química e biologiamente inerte, estável quando irradiado, não-tóxico, barato e fácil de produzir. No entanto, o seu band gap e bastante elevado, na gama do ultravioleta (UV), o que faz com que possua uma ativação espectral reduzida, j a que a radiação UV corresponde a apenas 5 % do espectro solar. Assim, um dos principais objetivos da comunidade cientifica passa por alcançar um controlo efetivo do gap energético do TiO2, nomeadamente através de uma dopagem adequada ou pela criação de nanocompósitos, de modo a permitir que a fotocatálise se desencadeie utilizando radiação visível. Estes estudos podem ser realizados não apenas experimentalmente, mas também recorrendo a modelação computacional. Esta constitui uma ferramenta bastante útil, que permite avaliar as propriedades electrónicas de diferentes materiais e assim estimar a sua aplicabilidade ao processo de fotocatálise. O presente trabalho foi então dedicado ao estudo teórico e experimental da e ciência fotocatalítica de nanocompósitos de TiO2 com grafeno e com oxido de grafeno. Assim, foi utilizado o método tight binding baseado na teoria dos funcionais de densidade (DFTB) para determinar as propriedades electrónicas destes compósitos para aplicação à fotocatálise. Paralelamente, foram realizados ensaios de degradação de uma solução de azul de metileno, no UV, e de ciprofloxacina, no visível, com o intuito de avaliar experimentalmente o desempenho fotocatalítico dos nanocompósitos em estudo e assim compará-lo com os resultados teóricos. Os resultados teóricos obtidos para as propriedades electrónicas dos compósitos indicaram que estes deverão ser mais eficientes para aplicações fotocatalíticas do que o dióxido de titânio puro, devido ao facto de possuírem um band gap mais reduzido e de promoverem a separação dos portadores de carga. Por outro lado, os ensaios de degradação de uma solução de azul de metileno no UV revelaram que os nanocompósitos foram mais eficientes na degradação deste composto do que o TiO2 puro, ao contrário do que se verificou nos ensaios de degradação de uma solução de ciprofloxacina no visível. Estes resultados indicaram assim que a eficiência fotocatalítica depende não só do material utilizado como catalisador, mas também dos compostos a degradar.
Semiconductor-based heterogeneous photocatalysis has been one of the most promising processes for the treatment of contaminated water. Among the available catalysts, titanium dioxide (TiO2) presents the best photocatallytic properties, being chemically and biologically inert, stable, non-toxic, cheap and easy to produce. However, its energy bang gap is quite wide, in the ultraviolet (UV) range, which is responsible for a reduced spectral activation, since UV radiation corresponds to only 5% of the solar spectrum. For this reason, one of the main purposes of the scienti c community is to achieve an e ective control of TiO2's band gap, namely through an adequate doping of this material, or through the creation of nanocomposites, in order to enable photocatalysis occurence by the incidence of visible light. These studies can be conducted not only experimentally, but also resorting to computational modelling. This constitutes a very useful tool, since it allows the evaluation of the electronic properties of a given material and the subsequent estimation of its applicability to photocatalysis. In this sense, the present work was dedicated to the theoretical and experimental study of the photocatalytic e ciency of nanocomposites of TiO2 with graphene and graphene oxide. On the one hand, density functional tight binding (DFTB) method was used in order to determine the electronic properties of these composites towards application to photocatalysis. On the other hand, degradation tests of methylene blue, under UV radiation, and cipro oxacin, under visible radiation, were conduted in order to experimentally evaluate the photocatalytic performance of these nanocomposites and to compare it with the theoretical results. Theoretical results of the electronic properties of the composites pointed out that these shall be more e cient than pure TiO2 towards photocatallytic application, due to their reduced band gap and e cient separation of charge carriers. Experimentally, degradation tests of methylene blue under UV radiation showed that the nanocomposites are more e cient than pure TiO2 regarding the degradation of this compound, in opposition to what happened in the degradation of the cipro oxacin under visible radiation. Therefore, this results indicate that photocatallytic e ciency depends not only on the catalyst used, but also on the compounds to degradate.
TypeMaster thesis
DescriptionDissertação de mestrado em Física (área de especialização em Física Aplicada)
URIhttp://hdl.handle.net/1822/45821
AccessOpen access
Appears in Collections:BUM - Dissertações de Mestrado
CDF - FMNC - Dissertações de Mestrado/Master Thesis

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