Desenvolvimento de um fotocatalisador de nanotubos de TiO2 decorados com Ru para degradação fotoeletroquímica de agrotóxico
Data
2015-11-26
Autores
Castelhano, Douglas Iafrate 
Orientadores
Rodrigues, Christiane de Arruda
Tipo
Dissertação de mestrado
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Resumo
Brazil is a world leader in the production and exportation of several agricultural products. This remarkable performance of the national agricultural production is directly related to the growth of the pesticide market in Brazil, making it one of the six largest consumers of pesticides in the world. Parallel to this dramatic scenario of agrochemical industries in the national economy as well as increasing the production of this in Brazil, there are many cases of environmental contamination resulting from the irresponsibility of pesticide manufacturers and due to the leaching process after use of same, due to the porosity of the soil, reaching groundwater, rivers and water bodies. Among the pesticides used in Brazilian crops, there is carbendazim, a fungicide with medium toxicity, classified as a possible carcinogen in humans. Given the growing demand of using pesticides and the need to develop capable technologies to eliminate these contaminants in human drinking water, this manuscript studied the degradation of carbendazim pesticide by photocatalytic and photoelectrocatalytic process using as semiconductor TiO2 nanostructured with and without modification with Ru by electrodeposition process. TiO2 nanostructures were obtained by anodizing process in aqueous solution containing 0.3% (v/v) HF under a potential difference of 20 V for 2 h with a ramp potential of 2 V min-1. Nanotubes were obtained with length and internal diameter of approximately 330 nm and 90 nm, respectively. Then, the nanostructures were heat treated at 450 °C to obtain the anatase phase. Voltammetric studies were conducted to elucidate the Ru reduction route on the TiO2 surface and select the potential range for electrodeposition. Although the Ru has been electrodeposited in a potential range of -0.025 to -0.188 V vs. Ag / AgCl, the deposition at 0.3 mC cm-2 at -0.100 V resulted in a value of photocurrent ten times greater compared to that obtained for the unmodified TiO2 nanotubes. By analysis of diffuse reflectance spectroscopy and adjustments using the Kubelka-Munk function it was possible to observe a substantial reduction in energy band gap from 3.11 eV for TiO2 without modification to 1.87 eV for nanotubes modified with Ru. This drastic reduction in band gap energy makes it an attractive photocatalyst electrode for environmental applications using of sunlight. The performance of these electrodes were tested in degradation of carbendazim and a greater reduction in the fungicidal concentration was observed employing the TiO2 electrode modified with Ru by photoelectrochemical process under UV light radiation of 80W, with a density of energy of 0,808 W cm-2 and potential difference of 1V, with reduction of total organic carbon around 56%.
O Brasil é um dos líderes mundiais na produção e exportação de vários produtos agropecuários. Esse notável desempenho da produção agrícola nacional está diretamente relacionado ao crescimento do mercado de agrotóxicos no Brasil, tornando-o um dos seis maiores consumidores de agrotóxico do mundo. Paralelamente a esse cenário expressivo das indústrias de agrotóxicos na economia nacional, bem como do aumento da produção deste em solo brasileiro, são inúmeros os casos de contaminação ambiental resultantes da irresponsabilidade das empresas fabricantes de agrotóxicos e em decorrência do processo de lixiviação após o uso dos mesmos, por conta da porosidade do solo, atingindo lençóis freáticos, rios e corpos d?água. Dentre os agrotóxicos empregados nas lavouras brasileiras, destaca-se o carbendazim, um fungicida de toxicidade média, classificado como possível carcinógeno em humanos. Diante da crescente demanda do uso de agrotóxicos e a necessidade do desenvolvimento de tecnologias capazes de eliminar esses contaminantes presentes em águas de abastecimento humano, este trabalho estudou a degradação do agrotóxico carbendazim via processo fotocatalítico e fotoeletrocatalítico empregando, como semicondutor, óxidos nanotubulares de TiO2, com e sem modificação com Ru via processo de eletrodeposição. As nanoestruturas de TiO2 foram obtidas via processo de anodização em solução aquosa contendo 0,3%(v/v) HF sob uma diferença de potencial de 20 V, durante 2 h com uma rampa de potencial de 2 V min-1. Foram obtidos nanotubos com comprimento e diâmetro interno de aproximadamente 330 nm e 90 nm, respectivamente. Em seguida, as nanoestruturas foram tratadas termicamente a 450°C para obtenção da fase cristalina anatase. Estudos voltamétricos foram realizados para elucidar a rota de redução do Ru sobre a superfície de TiO2 e selecionar a faixa de potencial para a sua eletrodeposição. Embora o Ru tenha sido eletrodepositado numa faixa de potencial de -0,025 a -0,188 V vs. Ag/AgCl, a deposição a 0,3 mC cm-2 a -0,100 V resultou num valor de fotocorrente dez vezes maior do que a comparada com a obtida para os nanotubos de TiO2 sem modificação. Análises de espectroscopia de reflectância difusa e ajustes empregando a função de Kubelka-Munk possibilitaram observar uma substancial redução na energia de band gap, de 3,11 eV para o TiO2 sem modificação para 1,87 eV para nanotubos modificados com Ru. Essa drástica redução da energia de band gap, torna esse eletrodo um fotocatalisador atrativo para aplicações ambientais pois é possível um maior aproveitamento da luz solar. O desempenho desses eletrodos foram testados na degradação do carbendazim e uma maior redução da concentração do fungicida foi observada empregando o eletrodo de TiO2 modificado com Ru via processo fotoeletroquímico, sob radiação de luz UV de 80W, com uma densidade de energia de 0,808 W cm-2, e diferença de potencial de 1V, com redução de carga orgânica em torno de 56%.
O Brasil é um dos líderes mundiais na produção e exportação de vários produtos agropecuários. Esse notável desempenho da produção agrícola nacional está diretamente relacionado ao crescimento do mercado de agrotóxicos no Brasil, tornando-o um dos seis maiores consumidores de agrotóxico do mundo. Paralelamente a esse cenário expressivo das indústrias de agrotóxicos na economia nacional, bem como do aumento da produção deste em solo brasileiro, são inúmeros os casos de contaminação ambiental resultantes da irresponsabilidade das empresas fabricantes de agrotóxicos e em decorrência do processo de lixiviação após o uso dos mesmos, por conta da porosidade do solo, atingindo lençóis freáticos, rios e corpos d?água. Dentre os agrotóxicos empregados nas lavouras brasileiras, destaca-se o carbendazim, um fungicida de toxicidade média, classificado como possível carcinógeno em humanos. Diante da crescente demanda do uso de agrotóxicos e a necessidade do desenvolvimento de tecnologias capazes de eliminar esses contaminantes presentes em águas de abastecimento humano, este trabalho estudou a degradação do agrotóxico carbendazim via processo fotocatalítico e fotoeletrocatalítico empregando, como semicondutor, óxidos nanotubulares de TiO2, com e sem modificação com Ru via processo de eletrodeposição. As nanoestruturas de TiO2 foram obtidas via processo de anodização em solução aquosa contendo 0,3%(v/v) HF sob uma diferença de potencial de 20 V, durante 2 h com uma rampa de potencial de 2 V min-1. Foram obtidos nanotubos com comprimento e diâmetro interno de aproximadamente 330 nm e 90 nm, respectivamente. Em seguida, as nanoestruturas foram tratadas termicamente a 450°C para obtenção da fase cristalina anatase. Estudos voltamétricos foram realizados para elucidar a rota de redução do Ru sobre a superfície de TiO2 e selecionar a faixa de potencial para a sua eletrodeposição. Embora o Ru tenha sido eletrodepositado numa faixa de potencial de -0,025 a -0,188 V vs. Ag/AgCl, a deposição a 0,3 mC cm-2 a -0,100 V resultou num valor de fotocorrente dez vezes maior do que a comparada com a obtida para os nanotubos de TiO2 sem modificação. Análises de espectroscopia de reflectância difusa e ajustes empregando a função de Kubelka-Munk possibilitaram observar uma substancial redução na energia de band gap, de 3,11 eV para o TiO2 sem modificação para 1,87 eV para nanotubos modificados com Ru. Essa drástica redução da energia de band gap, torna esse eletrodo um fotocatalisador atrativo para aplicações ambientais pois é possível um maior aproveitamento da luz solar. O desempenho desses eletrodos foram testados na degradação do carbendazim e uma maior redução da concentração do fungicida foi observada empregando o eletrodo de TiO2 modificado com Ru via processo fotoeletroquímico, sob radiação de luz UV de 80W, com uma densidade de energia de 0,808 W cm-2, e diferença de potencial de 1V, com redução de carga orgânica em torno de 56%.
Descrição
Citação
CASTELHANO, Douglas Iafrate. Desenvolvimento de um fotocatalisador de nanotubos de tio2 decorados com ru para degradação fotoeletroquímica de agrotóxico. 2015. 70 f. Dissertação (Mestrado) - Instituto de Ciências Ambientais, Químicas e Farmacêuticas, Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP), Diadema, 2015.