Síntese assistida por micro-ondas de filmes de TiO2 sobre titânio : aplicações fotocatalíticas e fotoeletroquímicas

Abstract

O dióxido de titânio (TiO2) é um material amplamente estudado devido à sua estabilidade química e alto desempenho fotocatalítico, sendo aplicado na degradação de poluentes e na conversão de energia solar. Métodos tradicionais, como a síntese hidrotermal e a anodização, são amplamente utilizados para a obtenção de filmes de TiO2 sobre titânio, mas podem exigir longos tempos de processamento e apresentar baixa eficiência energética no caso da hidrotermal. Neste trabalho, explorou-se uma abordagem inovadora para a síntese de TiO2 por irradiação micro-ondas (MWAS) e comparou-se seu desempenho à anodização eletroquímica, um método consolidado para a obtenção de nanotubos ordenados. Em ambas as metodologias, utilizaram-se substratos de titânio como fonte precursora. Na MWAS, os substratos foram imersos em solução aquosa de HF e irradiados a 150 °C por 1 ou 30 minutos, enquanto a anodização foi realizada sob 20 V por 2 horas em solução de etilenoglicol com NH4F e água. A atividade fotocatalítica dos materiais foi avaliada pela fotodegradação do corante índigo carmim (IC) e da fotoeletrogeração de hidrogênio via water splitting. Na MWAS, após 30 minutos de irradiação, formaram-se micropartículas multifacetadas e cristalinas compostas por nanocubos e microbastões, com cristalização simultânea das fases anatase e rutilo. A análise de espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X indicou a oxidação do titânio para TiO2 e a presença de espécies fluoradas adsorvidas, que podem ter influenciado a estabilização estrutural. O tratamento térmico a 500 °C promoveu a formação de nanoporos, com a possível evolução de água do material e aumento da cristalinidade, resultando em uma maior atividade fotoeletroquímica. Esse material apresentou fotoatividade tanto na fotodegradação de IC como na geração de hidrogênio. Por outro lado, a anodização resultou na formação de nanotubos de TiO2 (TiO2 NTs) ordenados, conferindo alta área superficial, o que levou a um desempenho fotocatalítico e fotoeletroquímico 2,4 vezes maior na cinética de fotodegradação e 6 vezes na evolução de H2 comparada a MWAS. Apesar da menor área superficial e uma estrutura micrométrica, a MWAS demonstrou resultados promissores, indicando que a reatividade superficial é importante na atividade fotocatalítica e fotoeletroquímica. Assim, a MWAS surge como uma abordagem inovadora e de baixo consumo energético, com potencial para otimização e ampliação de suas aplicações na conversão de energia e na remediação ambiental. Palavras-chave: TiO2, micro-ondas, anodização, fotocatálise, fotoeletrocatálise.

Titanium dioxide (TiO2) is a widely studied material due to its chemical stability and high photocatalytic performance, being applied in pollutant degradation and solar energy conversion. Traditional methods, such as hydrothermal synthesis and anodization, are commonly used to obtain TiO2 films on titanium; however, hydrothermal synthesis may require long processing times and low energy efficiency. In this work, an innovative approach for TiO2 synthesis by microwave-assisted irradiation (MWAS) was explored and compared to electrochemical anodization, a well-established method for obtaining ordered nanotubes. In both methodologies, titanium substrates were used as precursor sources. In MWAS, the substrates were immersed in an aqueous HF solution and irradiated at 150 °C for 1 or 30 minutes, while anodization was performed at 20 V for 2 hours in an ethylene glycol solution with NH4F and water. The photocatalytic activity of the materials was evaluated through the photodegradation of the indigo carmine (IC) dye and the photoelectrogeneration of hydrogen via water splitting. In MWAS, after 30 minutes of irradiation, multifaceted and crystalline microparticles composed of nanocubes and microrods were formed, with simultaneous crystallization of the anatase and rutile phases. X-ray photoelectron spectroscopy analysis indicated titanium oxidation to TiO2 and the presence of adsorbed fluorinated species, which may have influenced structural stabilization. Thermal treatment at 500 °C promoted the formation of nanopores, possibly due to water evolution from the material, increasing crystallinity and resulting in enhanced photoelectrochemical activity. This material exhibited photoactivity in both IC photodegradation and hydrogen generation. On the other hand, anodization resulted in the formation of ordered TiO2 nanotubes (TiO2 NTs), providing a high surface area, which led to a photocatalytic and photoelectrochemical performance 2.4 times higher in photodegradation kinetics and 6 times higher in hydrogen evolution compared to MWAS. Despite its lower surface area and micrometric structure, MWAS demonstrated promising results, indicating that surface reactivity plays a crucial role in photocatalytic and photoelectrochemical activity. Thus, MWAS emerges as an innovative and energy-efficient approach, with potential for optimization and expansion of its applications in energy conversion and environmental remediation.