Síntese de nanocompósitos a base de Fe2SiO4-Fe7Co3 dispersos na SBA-15: aplicação como adsorvente e fotocatalisador magneticamente separável
Ano de defesa: | 2020 |
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Resumo: | O presente estudo descreve a síntese de um novo tipo de nanocompósito à base de Fe2SiO4- Fe7Co3 dispersos no material mesoporoso SBA-15 visando aplicar na adsorção de corantes e na degradação fotocatalítica do azul de metileno (AM) seguido por separação magnética. Os parâmetros estudados foram: a temperatura de redução e quantidade de hidrogênio usados na síntese e como estes afetavam nas propriedades físico-químicas da mistura óxido-liga a base de ferro e cobalto, bem como na capacidade de adsorção e fotodegradação do azul de metileno. Os materiais preparados foram caracterizados por difração de raios-X (DRX), espectroscopia Mössbauer (MS), espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS), magnetometria de amostra vibrante (VSM), redução à temperatura programada (H2-TPR), adsorção e dessorção de N2 e Ar, microscopia eletrônica de Varredura (MEV-FEG) e Microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Os resultados de DRX, juntamente com os perfis de TPR confirmaram a formação dos nanocompósitos a base de Fe2SiO4-Fe7Co3 nas temperaturas entre 690 e 720 °C e nos fluxos entre 0,5 e 2% de H2. O aumento da temperatura de redução e o aumento do teor de H2 na mistura redutora propiciaram a formação de uma maior quantidade de liga em relação ao óxido segundo os dados obtidos pelo refinamento Rietveld. O DRX de baixo ângulo, as isotérmicas de N2 e as imagens TEM mostram a formação do suporte mesoporoso a base da SBA-15 com uma elevada área específica de 640 m/g². Porém, a área especifica e a estrutura mesoporosa da sílica foi levemente alterada (para 420 m/g²) após inserção do Fe e Co devido ao preenchimento parcial dos mesoporos pelo compósito. Para as amostras contendo os metais dispersos na SBA-15 pode existir uma interconexão entre os mesoporos segundo o estudo da varredura dos loop de histerese provenientes das isotermas de N2 e Ar acompanhado de modelos matemáticos. Os testes de adsorção confirmaram que o material reduzido a 700 °C usando 2% de H2 apresentou a maior capacidade de adsorção para o corante azul de metileno 49 mg/g. Os nanocompósitos obtidos apresentam boa capacidade de adsorção para o corante AM e podem ser facilmente separados da dispersão final pela aplicação de um campo magnético externo após a adsorção. Os resultados da fotocatálise confirmaram que o suporte de sílica foi essencial para melhorar a atividade fotocatalítica das espécies de Fe e Co na degradação do corante AM, favorecendo a acessibilidade dos sítios ativos. A atração do corante pelo nanocompósito ocorre principalmente por interações do tipo π-π e a mistura das fases Fe2SiO4 e Fe7Co3 conduz a um efeito sinérgico o qual favorecem o processo de adsorção e a atividade fotocatalítica do azul de metileno comparado às mesmas fases isoladas. A degradação do AM ocorre através de uma sequência de reações que ocorre tanto na superfície do sólido quanto na solução aquosa. |
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Silva, Monickarla Teixeira Pegado dahttp://lattes.cnpq.br/6281173428111537Sasaki, José MarcosSantos, Luciene da SilvaPergher, Sibele Berenice CastellaCaldeira, Vinícius Patrício da SilvaBraga, Tiago Pinheiro2021-05-10T18:00:34Z2021-05-10T18:00:34Z2020-07-22SILVA, Monickarla Teixeira Pegado da. Síntese de nanocompósitos a base de Fe2SiO4-Fe7Co3 dispersos na SBA-15: aplicação como adsorvente e fotocatalisador magneticamente separável. 2020. 107f. Tese (Doutorado em Química) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2020.https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/32474O presente estudo descreve a síntese de um novo tipo de nanocompósito à base de Fe2SiO4- Fe7Co3 dispersos no material mesoporoso SBA-15 visando aplicar na adsorção de corantes e na degradação fotocatalítica do azul de metileno (AM) seguido por separação magnética. Os parâmetros estudados foram: a temperatura de redução e quantidade de hidrogênio usados na síntese e como estes afetavam nas propriedades físico-químicas da mistura óxido-liga a base de ferro e cobalto, bem como na capacidade de adsorção e fotodegradação do azul de metileno. Os materiais preparados foram caracterizados por difração de raios-X (DRX), espectroscopia Mössbauer (MS), espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS), magnetometria de amostra vibrante (VSM), redução à temperatura programada (H2-TPR), adsorção e dessorção de N2 e Ar, microscopia eletrônica de Varredura (MEV-FEG) e Microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Os resultados de DRX, juntamente com os perfis de TPR confirmaram a formação dos nanocompósitos a base de Fe2SiO4-Fe7Co3 nas temperaturas entre 690 e 720 °C e nos fluxos entre 0,5 e 2% de H2. O aumento da temperatura de redução e o aumento do teor de H2 na mistura redutora propiciaram a formação de uma maior quantidade de liga em relação ao óxido segundo os dados obtidos pelo refinamento Rietveld. O DRX de baixo ângulo, as isotérmicas de N2 e as imagens TEM mostram a formação do suporte mesoporoso a base da SBA-15 com uma elevada área específica de 640 m/g². Porém, a área especifica e a estrutura mesoporosa da sílica foi levemente alterada (para 420 m/g²) após inserção do Fe e Co devido ao preenchimento parcial dos mesoporos pelo compósito. Para as amostras contendo os metais dispersos na SBA-15 pode existir uma interconexão entre os mesoporos segundo o estudo da varredura dos loop de histerese provenientes das isotermas de N2 e Ar acompanhado de modelos matemáticos. Os testes de adsorção confirmaram que o material reduzido a 700 °C usando 2% de H2 apresentou a maior capacidade de adsorção para o corante azul de metileno 49 mg/g. Os nanocompósitos obtidos apresentam boa capacidade de adsorção para o corante AM e podem ser facilmente separados da dispersão final pela aplicação de um campo magnético externo após a adsorção. Os resultados da fotocatálise confirmaram que o suporte de sílica foi essencial para melhorar a atividade fotocatalítica das espécies de Fe e Co na degradação do corante AM, favorecendo a acessibilidade dos sítios ativos. A atração do corante pelo nanocompósito ocorre principalmente por interações do tipo π-π e a mistura das fases Fe2SiO4 e Fe7Co3 conduz a um efeito sinérgico o qual favorecem o processo de adsorção e a atividade fotocatalítica do azul de metileno comparado às mesmas fases isoladas. A degradação do AM ocorre através de uma sequência de reações que ocorre tanto na superfície do sólido quanto na solução aquosa.The present study describes the synthesis of a new type of Fe2SiO4-Fe7Co3 based nanocomposite dispersed in the mesoporous material SBA-15 in order to apply in the dyes adsorption, in the photocatalytic degradation of methylene blue (MB) and consequent magnetic separation. The parameters studied were: the reduction temperature and amount of hydrogen used in the synthesis and how these affect the physicochemical properties of the oxide-alloy mixture with iron and cobalt, as well as the adsorption capacity and photodegradation of methylene blue. The prepared materials were characterized by X-ray diffraction (XRD), Mössbauer spectroscopy (MS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), vibratory sample magnetometry (VSM), temperature programmed reduction (H2-TPR), N2 or Ar adsorption and desorption isotherms , Scanning electron microscopy (SEM-FEG) and Transmission electron microscopy (TEM). The XRD results together with the TPR profiles confirmed the formation of Fe2SiO4-Fe7Co3-based nanocomposites at temperatures between 690 and 720 °C and amount of H2 between 0.5 and 2%. The increase of the reduction temperature and the increase of H2 content in the reduction mixture led to the formation of a higher amount of alloy compared to oxide according to the data obtained by the Rietveld refinement. Low-angle XRD, N2 isotherms, and TEM images show the formation of the SBA-15- based mesoporous support with a high specific area of 640 m/g². However, the surface area and mesoporous structure of the silica was slightly altered (to 420 m/g²) after Fe and Co insertion due to partial pore filling by the composite. For samples containing the metals dispersed on SBA-15, there may be an interconnection between mesopores according to scanning hysteresis loop from N2 and Ar isotherms accompanied by mathematical models. Adsorption tests confirmed that the material reduced at 700 °C using 2% of H2 had the highest adsorption capacity for methylene blue (MB) dye. The nanocomposites obtained have good adsorption capacity for MB dye and can be easily separated from the final dispersion by applying an external magnetic field after adsorption. The photocatalysis results confirmed that the silica support is essential to optimize the photocatalytic activity of the Fe and Co species in the dye degradation, favoring the accessibility of active sites. The attraction of the dye by the nanocomposite occurs mainly by π-π interactions and the mixing of Fe2SiO4 and Fe7Co3 phases leads to a synergistic effect which favor the methylene blue adsorption and the photocatalytic activity process compared to the same isolated phases. The degradation of the MB occur through a sequence of reactions both on the solid surface and on the solution.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPqUniversidade Federal do Rio Grande do NortePROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICAUFRNBrasilNanocompósito magnéticoLiga de Fe7Co3Óxido de Fe2SiO4AdsorçãoFotocatáliseCoranteSBA-15Síntese de nanocompósitos a base de Fe2SiO4-Fe7Co3 dispersos na SBA-15: aplicação como adsorvente e fotocatalisador magneticamente separávelinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFRNinstname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)instacron:UFRNORIGINALSintesenanocompositosbase_Silva_2020.pdfapplication/pdf4120567https://repositorio.ufrn.br/bitstream/123456789/32474/1/Sintesenanocompositosbase_Silva_2020.pdf59bcebd0bd9c24bceb42f0e399bffe23MD51123456789/324742021-05-11 16:02:16.731oai:https://repositorio.ufrn.br:123456789/32474Repositório de PublicaçõesPUBhttp://repositorio.ufrn.br/oai/opendoar:2021-05-11T19:02:16Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)false |
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