Síntese Hidrotermal de Pontos Quânticos de Carbono Emissores Azul e Verde a Partir de Efluente de Tofu

Resumo

Relatamos um método hidrotermal direto para produção de pontos quânticos de carbono (CQDs) fluorescentes a partir de efluente de produção de tofu. Duas variantes de CQDs foram obtidas: CQDs-1, sintetizados em água desionizada, emitem fluorescência azul sob luz UV, enquanto CQDs-2, preparados em solução de NaOH, emitem luz verde. Espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) revela que a diferença chave reside na química de superfície — CQDs-1 contêm maiores concentrações de grupos C-O e C=O, enquanto CQDs-2 são enriquecidos em funcionalidades carboxílicas devido ao tratamento com NaOH. Estudos de fotoluminescência (PL) confirmam as cores de emissão distintas e fornecem insight sobre o papel dos estados de superfície. Com rendimento quântico de 54,49% para CQDs-1, esta abordagem demonstra uma rota sustentável para CQDs de alto desempenho enquanto valoriza um fluxo de resíduo comum de processamento de alimentos.

Introdução

Tofu, um alimento básico na culinária asiática, é agora produzido em escala industrial, gerando grandes volumes de efluente rico em serofluido amarelo de soja. Este efluente, contendo carboidratos, proteínas, ácidos orgânicos e pigmentos, apresenta desafios ambientais, mas também representa uma valiosa fonte de carbono para síntese de nanomateriais. Pontos quânticos de carbono (CQDs) são nanopartículas de carbono sub-20 nm que combinam excelente solubilidade em água, inércia química, baixa toxicidade e biocompatibilidade com estruturas eletrônicas semelhantes a semicondutores, tornando-os atraentes para aplicações ópticas e biomédicas. A síntese convencional de CQDs baseia-se em estratégias top-down ou bottom-up usando precursores diversos; trabalhos recentes têm destacado biomassa (ex: palha de trigo, suco de laranja) como matérias-primas de carbono sustentáveis. Nosso estudo adapta a rota hidrotermal — conhecida por sua simplicidade e escalabilidade — para transformar efluente de tofu em CQDs, permitindo um duplo benefício de redução de resíduos e produção de nanomateriais.

Métodos

O efluente foi coletado do Parque Industrial de Tofu, Condado de Shi Ping, Yunnan, China. O protocolo envolveu: (i) pirólise de 300 mL de serofluido amarelo a ~93 °C por 3-5 h até formar resíduo seco; (ii) resfriamento à temperatura ambiente e adição de 50-200 mL de água desionizada (para CQDs-1) ou 100 mL de solução de NaOH (pH ≈ 12,4) (para CQDs-2); (iii) agitação por 4 min seguida de 5 min de ultrassom; (iv) centrifugação a 12.000 rpm por 20 min para isolar o sobrenadante contendo CQDs. Variações em temperatura, tempo e pH foram usadas para ajustar as propriedades ópticas dos CQDs. CQDs-1 aparecem amarelos a olho nu, mas fluorescem azul sob UV, enquanto CQDs-2 fluorescem verde.

Resultados e Discussão

Morfologia e Tamanho. Imagens de TEM de alta resolução (Figura 1) mostram que ambas as variantes de CQD são nanopartículas esféricas monodispersas com diâmetros variando de 2-10 nm; o tamanho médio é 3,5-5,5 nm e um espaçamento de rede de ~0,21-0,22 nm confirma ordenação grafítica.

Química de Superfície. Espectros XPS de varredura completa (Figura 2) confirmam a presença de C, N, O e menores S, P (CQDs-1) ou Na, Cl (CQDs-2). Espectros C 1s de alta resolução (Figura 3) revelam que CQDs-1 contêm ligações C-C/C=C (284,7 eV), C-O (286,1 eV) e C=O (287,9 eV), enquanto CQDs-2 mostram um pico adicional de COOH (289,1 eV). O teor reduzido de C-O/C=O em CQDs-2 resulta de passivação de superfície mediada por hidróxido, deslocando a emissão para comprimentos de onda maiores.

Fotoluminescência. Espectros de PL (Figura 4) mostram que CQDs-1 emitem luz azul brilhante com intensidade máxima em ~410 nm de excitação, enquanto CQDs-2 emitem luz verde, com pico em ~480 nm de excitação. O pico de emissão se desloca para comprimentos de onda maiores com aumento do comprimento de onda de excitação, indicando que estados de superfície, em vez de confinamento quântico dependente do tamanho, dominam o comportamento de PL. O maior teor de nitrogênio (8,5% vs 6,8%) em CQDs-1 aumenta a recombinação radiativa através de estados de superfície adicionais, explicando seu rendimento quântico superior (54,49%) relativo a CQDs-2.

Mecanismo de Emissão. Os dados suportam um modelo de recombinação mediado por estados de superfície: elétrons fotoexcitados relaxam não-radiativamente em estados de superfície (C-O, C=O, COOH) e subsequentemente recombina radiativamente com lacunas na banda de valência. A presença de dois estados de superfície distintos em CQDs-1 explica seu espectro de PL mais amplo e de duplo pico, enquanto o único estado dominado por COOH em CQDs-2 resulta em emissão verde mais estreita.

Conclusões

Este estudo demonstra que efluente de tofu, um subproduto prontamente disponível e ambientalmente problemático, pode ser valorizado em CQDs de alta qualidade via um processo hidrotermal simples. Os CQDs resultantes emissores de azul e verde exibem fotoluminescência ajustável governada pela química de superfície, com rendimento quântico excedendo 50% para a variante azul. A abordagem oferece um caminho sustentável e de baixo custo para produção em larga escala de CQDs, potencialmente avançando aplicações em bioimagem, sensoriamento e optoeletrônica. Trabalhos futuros focarão em estender o espectro de emissão para a região vermelha através de funcionalização de superfície adicional.