Óxidos de ferro nanoestruturados parcialmente substituídos: efeito do íon isomórfico na degradação de compostos orgânicos
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Universidade Federal de Lavras
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Departamento de Química
Programa de Pós-Graduação
Programa de Pós-Graduação em Agroquímica
Agência de fomento
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Tipo de impacto
Áreas Temáticas da Extenção
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
Dados abertos
Resumo
As diferentes aplicações de materiais baseados em óxidos de ferro estão diretamente
relacionadas com as dimensões e morfologias de suas estruturas. A presença de um
segundo metal na estrutura destes óxidos pode promover modificações no arranjo
cristalino interessantes, capazes de incrementar a sua atividade catalítica em processos de
oxidação química. Além disso, maior estabilidade e dispersão destes óxidos podem ser
alcançadas pela combinação com materiais poliméricos. Neste trabalho, realizou-se a
síntese de óxidos de ferro estabilizados por quitosana (QSFe) e isomorficamente
substituídos por íons Cu
2+
(QSFeCu5, QSFeCu10, QSFeCu15). Os compósitos foram
sintetizados em formato esférico, o que facilitou o processo de reutilização. As esferas
foram submetidas a tratamento térmico sob atmosfera de N2 para eliminação da matriz
orgânica e formação de fase ativa. As caracterizações químicas, morfológicas e
estruturais dos materiais foram realizadas empregando diferentes análises. A substituição
isomórfica do Fe por íons Cu in situ foi verificada sobretudo, por meio de Difratometria
de Raios X (XRD) e Espectroscopia Mössbauer. O potencial catalítico dos materiais foi
avaliado a partir dos testes de evolução de O2 e degradação do corante azul de metileno
(AM). Os materiais substituídos apresentaram características morfológicas e cristalinas
bem diferentes do compósito QSFe. Isso foi atribuído a identificação de diferentes fases
de óxidos de ferro presentes nas esferas, em que o material QSFe apresentou como fase
majoritária a goethita (α-FeOOH). Com o aumento no teor do íon isomórfico, a fase
predominante formada foi a magnetita (Fe3O4). O perfil de decomposição do peróxido de
hidrogênio (H2O2) sugere um mecanismo combinado de ativação de peróxido de
hidrogênio, com predominância de sítios vacantes. A atividade catalítica dos materiais
substituídos (QSFeCux) na degradação do AM foi superior à do material não substituído
(QSFe), corroborando os dados de decomposição de H2O2 e evidenciando a importância
do Cu como substituinte. O material QSFeCu10, com 10% de Fe
3+
substituído por Cu
2+
(relação mol/mol), foi capaz de degradar o corante modelo em mais de 92% após a
otimização das variáveis experimentais. Os catalisadores isomorficamente substituídos se
mostraram mais estáveis quanto a liberação das fases ativas de Fe e Cu, com baixos teores
de lixiviação, inferindo que o processo catalítico ocorre exclusivamente em fase
heterogênea. Nenhuma adsorção significativa foi observada, sendo a remoção
essencialmente por degradação da molécula. Estudos sobre o tempo de vida do compósito
apontam para possibilidade de utilização em diferentes ciclos consecutivos, o que
evidencia ausência de envenenamento catalítico e perda significativa de atividade. Dessa
forma, a incorporação de Cu nas esferas QSFe apresenta-se como um promissor material
para oxidação de contaminantes orgânicos, que associa robustez e atividade catalítica.
Abstract
The different applications of materials based on iron oxides are directly related to the
dimensions and morphologies of their structures. The presence of a second metal in the
structure of these oxides can promote interesting modifications in the crystalline
arrangement, capable of increasing its catalytic activity in chemical oxidation processes.
In addition, greater stability and dispersion of these oxides can be achieved by combining
with polymeric materials. In this work, the synthesis of iron oxides stabilized by chitosan
(QSFe) and isomorphically replaced by Cu
2+
ions (QSFeCu5, QSFeCu10, QSFeCu15) was
performed. The composites were synthesized in spherical format, which facilitated the
reuse process. The beads were subjected to heat treatment under N2 atmosphere to
eliminate the organic matrix and formation of active phase. The chemical, morphological
and structural characterization of the materials were carried out using different analyzes.
The isomorphic substitution of Fe by Cu in situ was verified mainly by means of XRD
and Mössbauer Spectroscopy. The catalytic potential of the materials was evaluated from
O2 evolution tests and methylene blue (AM) dye degradation. The substituted materials
showed very different morphological and crystalline characteristics of the QSFe
composite. This was attributed to the identification of different phases of iron oxides
present in the spheres, in which the QSFe material presented goethite (α-FeOOH) as the
major phase. With the increase in the isomorphic ion content, the predominant phase
formed was magnetite (Fe3O4). The decomposition profile of hydrogen peroxide (H2O2)
suggests a combined mechanism of hydrogen peroxide activation, with a predominance
of vacant sites. The catalytic activity of the substituted materials (QSFeCux) in the AM
degradation was higher than that of the non-substituted material (QSFe), corroborating
the H2O2 decomposition data and evidencing the importance of the Cu as substituent.
Material QSFeCu10, with 10% Fe
3+
replaced by Cu
2+
(mol/mol ratio), was able to degrade
the model dye by more than 92% after optimization of the experimental variables. The
isomorphically substituted catalysts showed to be more stable as the release of the active
phases of Fe and Cu, with low levels of leaching, inferring that the catalytic process
occurs exclusively in heterogeneous phase. No significant adsorption was observed, the
removal being essentially by degradation of the molecule. Studies on the life of the
composite indicate the possibility of use in different consecutive cycles, which shows the
absence of catalytic poisoning and significant loss of activity. Thus, the incorporation of
Cu in the QSFe spheres presents a promising material for the oxidation of organic
contaminants, which associates robustness and catalytic activity.
Descrição
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Palavra chave
Marca
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Impacto da pesquisa
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Citação
CAETANO, A. A. Óxidos de ferro nanoestruturados parcialmente substituídos: efeito do íon isomórfico na degradação de compostos orgânicos. 2019. 77 p. Dissertação (Mestrado em Agroquímica)-Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2019.
