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Type: Dissertação
Title: Photocatalytic study of composites based on titanium dioxide (TiO2) and graphitic carbon nitride (g-C3N4) under artificialand natural light
Title in English: Photocatalytic study of composites based on titanium dioxide (TiO2) and graphitic carbon nitride (g-C3N4) under artificialand natural light
Authors: Nascimento, Marcela Verícimo do
Advisor: Capelo Neto, José
Co-advisor: Salgado, Bruno César Barroso
Keywords: Fotocatálise;Revisão sistemática;Síntese;remoção de corante;Superfície de resposta
Issue Date: 26-Jan-2023
Citation: NASCIMENTO, M.V. Photocatalytic study of composites based on titanium dioxide (TiO2) and graphitic carbon nitride (g-C3N4) under artificialand natural light. 2023. 87 F. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil - Recursos Hídricos) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.
Abstract in Brazilian Portuguese: O tratamento fotocatalítico tem atraído a comunidade científica devido à produção de espécies reativas de oxigênio (ERO). Nos últimos anos, as ERO mostraram o potencial para eliminar vários tipos de poluentes. A busca por desenvolver materiais semicondutores com o aproveitamento eficiente da luz e a utilização de fontes de energia mais limpas tem sido cada vez mais comum nas publicações. Nesse contexto, o primeiro estudo objetivou sistematizar as inovações na síntese de compósitos constituídos por dióxido de titânio (TiO2) e nitreto de carbono grafítico (g-C3N4). Alguns termos foram utilizados para pesquisar publicações na base de dados bibliográfica Compendex entre 2015 e 2021. Os artigos foram incluídos e excluídos de acordo com critérios específicos. Posteriormente, os artigos remanescentes foram organizados a partir da morfologia do TiO2 e do número de publicações. Essa revisão sistemática permitiu a identificação da variabilidade morfológica nos compósitos e predominância das nanopartículas de TiO2. Além disso, métodos sintéticos novos, como deposição de camada atômica, deposição de vapor e agregação induzida por carga, foram desenvolvidos. Asegunda parte desse trabalho desenvolveu um estudo fotocatalítico a partir da síntese de compósitos baseados em dióxido de titânio (P25) e nitreto de carbono grafítico (CN). Para esse propósito, dois reatores foram planejados para observar as respostas dos materiais (CN, CN25, CN75 e P25) às fontes de luz artificial e natural fornecidas por uma lâmpada halógena e pela exposição solar, respectivamente. Soluções contendo azul de metileno (AM) com uma concentração de 10 mg/L foram tratadas por fotocatálise. A aplicação do Delineamento do Composto Central (DCC) auxiliou na compreensão da influência dos parâmetros (pH, concentração inicial do AM e dosagem do P25) na remoção do corante. Os resultados mostraram que o P25 melhorou a resposta fotocatalítica do CN. Entretanto, o P25 no estado puro alcançou as mais altas remoções em ambas fontes luminosas. O P25 alcançou a remoção de 99,4% em 1 h sob luz solar. Os pontos críticos determinados pelo DCC foram 6,6, 1,2 g/L e 1 mg/L. O modelo cinético de primeira ordem ajustado ao processo fotocatalítico gerou o k de 0,07 min-1. Essa modelagem mostrou que a taxa de remoção dobrou após 30 minutos de ensaio. Os resultados experimentais indicaram um potencial alto para aplicação da fotocatálise heterogênea ativada por luz solar.
Abstract: Photocatalytic treatment has attracted the scientific community due to the production of reactive oxygen species (ROS). In recent years, ROS has shown the potential to eliminate several pollutant types. The search to develop semiconductor materials with efficient use of light and utilization of cleaner energy sources has been increasingly common in publications. In this context, the first study aimed to systematize innovations in composite synthesis constituted by the titanium dioxide (TiO2) and graphitic carbon nitride (g-C3N4). Some terms were used to search the publications in Compendex bibliographic database between 2015 and 2021. Papers were included and excluded according to specific criteria. Subsequently, the remaining papers were organized from TiO2 morphology and the number of publications. This systematic review allowed the identification of morphological variability in composites and the predominance of TiO2 nanoparticles. In addition, new synthetic methods, such as atomic layer deposition, vapor deposition, and charge-induced aggregation, were developed. The second part of this work developed a photocatalytic study from composite synthesis based on titanium dioxide (P25) and graphic carbon nitride (CN). For this purpose, two reactors were designed to observe materials responses (CN, CN25, CN75, and P25) to the artificial and natural light sources provided by a halogen lamp and sun exposure, respectively. Solutions containing methylene blue (MB) with an initial concentration of 10 mg/L were treated by photocatalysis. The application of Central Composite Design (CCD) aided in understanding parameters influence (pH, MB initial concentration, and P25 dosage) on the dye removal. The findings showed that P25 improved the photocatalytic response of the CN. However, pristine P25 achieved the highest removals in both light sources. P25 reached the average removal of 99.4% at 1 h under sunlight. The critical points determined by CCD for pH, P25, and MB were 6.6, 1.2 g/L, and 1 mg/L, respectively. The First-order kinetic model adjusted to the photocatalytic process generated the k value of 0.07 min-1. This modeling showed that the removal rate doubled after 30 minutes of testing. Experimental results indicated a high potential for the utilization of heterogeneous photocatalysis activated by sunlight.
Description: NASCIMENTO, M.V. Photocatalytic study of composites based on titanium dioxide (TiO2) and graphitic carbon nitride (g-C3N4) under artificialand natural light. 2023. 87 F. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil - Recursos Hídricos) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/71302
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