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jun 13

Síntese de nanopartículas de dióxido de titânio e sua aplicação em fotodecomposição

 A nanotecnologia possui uma grande missão na sociedade atual, impulsionada pela divulgação de seus próprios resultados; essa missão pode ser resumida como a melhoria da qualidade de vida e o desenvolvimento de tecnologias mais eficientes e menos agressivas ao meio ambientes, em todas as esferas da economia. Portanto, parte dessa missão está na obtenção de materiais que permitam decompor poluentes ambientais em diversas matrizes, como águas e ar por exemplo. Sabemos que a poluição atmosférica aumentou de maneira significativa nas últimas décadas, em especial nas grandes cidades. Entretanto, novos materiais tem sido desenvolvidos na tentativa de reverter esse problema e um dos mais estudados é o dióxido de titânio (TiO2).

   O fenómeno através do qual um composto, sofrendo influência da luz, acelera a velocidade de uma reação química (Sem ser consumido) denomina-se fotocatálise. Para que isto ocorra, é necessário que o composto seja excitado através de energia fornecida por fotons de luz. Estes compostos podem ser combinados ou ligados a uma grande variedade de materiais, conferindo-lhes a capacidade de catalisarem a decomposição de poluentes quando são irradiados por luz solar. Quando TiO2 é utilizado em revestimentos, é observada a decomposição de poluentes atmosféricos, onde é gerado CO2 e outros produtos sólidos que são facilmente removidos pela água da chuva, impedindo que o evestimento fique sujo, o que é especialmente importante no caso de janelas por exemplo. Veja oe squema geral na Figura 1 e, para uma leitura mais completa, veja o artigo sobre revestimentos fotocatalíticos.

Figura 1. Esquema simplificado do funcionamento de um revestimento de TiO2 antipoluição

    As fases cristalinas mais estáveis termodinamicamente do dióxido de titânio são o rutilo e a anatase. Enquanto a primeira é aplicada como pigmento de tintas e em protetores solares devido ao seu elevado índice de refração, a fase anatase empregada em fotocatálise, por ser um bom oxidante quando exposto a radiação ultravioleta, além de ser estável  e pouco tóxico. Entretanto, para que essa aplicaçào seja possível, é necessário que exista uma fonte de radiação ultravioleta. Quando o material é aplicado em revestimentos exteriores a fonte de  radiação pode ser a própria luz solar. Já em ambientes no interior de residências e edifícios,  a radiação ultravioleta pode ser obtida de lâmpadas fluorescentes, ainda que em uma potência muito menor, levando um tempo um pouco maior para realizar todo o processo de fotodecomposição de poluentes.
 Nessa prática, o dióxido de titânio na fase anatase será empregado para realizar a decomposição fotocatalítica de alaranjado de metila, um corante bastante conhecido e de fácil obtenção e baixo custo.
 
  EQUIPAMENTO E REAGENTES
  • Balão ou erlenmeyer
  • Sistema de agitação magnética 
  • Lâmpada de luz ultravioleta (Opcional)
  • Espectrofotômetro (Opcional)
  • Nanopartículas de TiO2 (Veja texto) 
  • Alaranjado de metila
  • Água destilada
 
  PROCEDIMENTO
 
  • Obtenção das nanopartículas de TiO2
    Preparar o dióxido de titânio misturando 20 mL de isopropóxido de titânio IV em 50 mL de água destilada. Agitar durante 2 horas. Após esse tempo, deixar em repouso durante 24 horas. Em seguida, filtrar, lavar com água destilada e secar o pó obtido. te a noite. O pó deve então ser levado ao forno na temperatura de 500 °C durante 1 hora. Esse procedimento é necessário  para promover a cristalização do óxido amorfo para a fase anatase. Deve-se evitar temperaturas maiortes para não favorecer a formação da fase rutilo, que é menos ativa cataliticamente.
  Caso não deseje realizar esse procedimento de síntese, é possível comprar as nanopartículas já prontas. Recomendamos o TiO2 nanoparticulado (P-25), da Degussa, que pode ser facilmente adquirido no comércio especializado e cuja fase cristalina predominante é a anatase.  
 
Figura 2. Aspecto do dióxido de titânio nanoparticulado  
 
 
  • Aplicação das nanopartículas em fotodecomposição catalíticalas de TiO2
   Dispersar 0,5 g das nanopartículas em 1 litro de água destilada. Acrescentar 20 mg de alaranjado de metila. Colocar a mistura em agitação e irradiar com luz ultravioleta. A luz ultravioleta é emitida pelas chamadas "lâmpadas de luz negra", disponíveis em lojas de iluminação (Ver Figura 3).
 
Figura 3. Lâmpadas de luz ultravioleta disponíveis no comércio de artigos para iluminação
 
  Caso a obtenção de uma lâmpada ultravioleta esteja fora das possibilidades, existe uma alternativa: deixar o sistema (Sempre em agitação) exposto à luz solar, de preferência entre as 10 h - 16 h.
  Se um espectrofotômetro estiver disponível, retirar amostras da solução em intervalos regulares de 1 minuto e medir a absorbância em 465 nm, para calcular a concentração de alaranjado de metila restante. É possível construir um gráfico e estudar a cinética da reação. Veja o esquema geral abaixo:
 
Figura 4. Montagem para estudo da cinética da fotodecomposição do alaranjado de metila catalisada por nanopartículas de dióxido de titânio
 
 Mesmo sem um espectrofotômetro é possível verificar visualmente a deconposição do alaranjado de metila através da diminuição da intensidade da cor característica da solução (Pode ser necessário esperar alguns poucos minutos para as partículas decantarem antes de realizar cada inspeção visual). 
 
      
  REFERÊNCIAS
  • R.F., Farias. Práticas de química inorgânica. Ed. Átomo, 3 ed., Campinas, 2010
  • C. B. Murray, C. R. Kagan, M. G. Bawendi. Annu. Rev. Mater. Science.2000, 30, 545

 

 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1. Dióxido de titânio nanoparticulado em pó
 
 
 

Olhar Nano