Degradação Fotocatalítica Aprimorada de Rodamina B Usando Nanocompósitos SrTiO₃/Bi₅O₇I: Fabricação, Caracterização e Insights Mecanísticos

Resumo

Relatamos uma rota de decomposição térmica para sintetizar nanocompósitos SrTiO₃/Bi₅O₇I que combinam nanopartículas de perovskita SrTiO₃ com nanobastões tetragonais de Bi₅O₇I. Análises de XRD, XPS, SEM, EDS, FTIR, DRS e PL confirmam pureza de fase, formação íntima de heterojunção e separação eficaz de cargas. Sob irradiação solar simulada, o compósito com 30% em peso de SrTiO₃/Bi₅O₇I atinge 89,6% de remoção de Rodamina B (RhB) em 150 min — 3,97 vezes superior ao Bi₅O₇I puro e 12,5 vezes superior ao SrTiO₃. Os radicais •O₂⁻ e lacunas dominam o processo oxidativo, enquanto dados de PL revelam recombinação suprimida. O estudo elucida um mecanismo de heterojunção tipo Z que impulsiona a fotocatálise superior, oferecendo um modelo para fotocatalisadores de alto desempenho sob luz visível.

Contexto

Contaminantes de corantes provenientes de efluentes têxteis representam riscos ecológicos e à saúde severos, motivando a busca por métodos de remediação verdes e economicamente viáveis. Processos convencionais de adsorção, coagulação e oxidação avançada frequentemente sofrem com altos custos operacionais e geração de resíduos secundários. A fotocatálise baseada em semicondutores, especialmente sob luz solar, surge como alternativa promissora devido à sua fonte de energia renovável e mínimos subprodutos. O TiO₂ permanece o fotocatalisador de referência, porém sua ampla lacuna de banda limita a atividade sob luz visível e promove rápida recombinação elétron-lacuna. Estratégias recentes envolvem modificação de superfície ou acoplamento de semicondutores para melhorar absorção de luz e separação de cargas.

O Bi₅O₇I, um oxiiodeto tipo p, exibe uma banda de valência relativamente alta que gera lacunas oxidantes fortes, mas sofre com baixa eficiência de transferência de carga. O acoplamento com SrTiO₃ tipo n, uma perovskita termicamente estável com alinhamento de banda adequado, pode formar uma heterojunção eficaz que facilita a migração de elétrons e reduz a recombinação. Este trabalho pioneira a síntese de nanocompósitos SrTiO₃/Bi₅O₇I e avalia seu desempenho fotocatalítico e mecanismo subjacente.

Métodos

Preparação dos Compósitos SrTiO₃/Bi₅O₇I

Nanopartículas de SrTiO₃ e precursores de SrTiO₃/BiOI foram primeiro preparados via rota sol-gel. Os compósitos foram então submetidos a decomposição térmica (rampa de 5 °C/min a 500 °C, mantidos por 3 h, resfriamento natural) para obter nanocompósitos SrTiO₃/Bi₅O₇I com diferentes teores de SrTiO₃ (10–40% em peso).

Caracterização

Análise de fase empregou XRD (Cu Kα). Morfologia e mapeamento elementar foram capturados por MEV-FE com EDS. Química de superfície foi sondada por XPS. Espectroscopia de reflectância difusa UV-vis (DRS) avaliou absorção óptica, enquanto espectroscopia de fotoluminescência (PL) avaliou recombinação de cargas. FTIR identificou grupos funcionais.

Avaliação Fotocatalítica

A atividade fotocatalítica foi medida pela degradação de RhB sob lâmpada Xe de 500 W (luz solar simulada). 100 mg de catalisador foram dispersos em 100 mL de RhB a 20 mg L⁻¹, agitados por 30 min no escuro (equilíbrio de adsorção), então irradiados. A cada 30 min, alíquotas de 3 mL foram centrifugadas, e a concentração de RhB quantificada por espectroscopia UV-vis.

Resultados e Discussão

Análise por XRD

SrTiO₃ puro exibiu os picos de perovskita esperados (JCPDS 35-0734). Bi₅O₇I mostrou reflexões tetragonais características (JCPDS 10-0548). O compósito com 30% em peso exibiu superposição de ambos os padrões sem fases secundárias, confirmando formação bem-sucedida da heterojunção.

Análise por XPS

Varreduras de survey revelaram Ti, Sr, Bi, I e O. Espectros de nível de núcleo confirmaram estados Ti⁴⁺, Sr²⁺, Bi³⁺ e I⁻, e o pico O 1s se dividiu em componentes de rede e relacionados a vacâncias, indicando vacâncias de oxigênio que auxiliam o transporte de carga.

SEM e EDS

Partículas de SrTiO₃ eram esféricas (50–300 nm). Nanobastões de Bi₅O₇I (100–300 nm × 80 nm) envolviam partículas de SrTiO₃, criando contato íntimo. EDS confirmou o teor de 30% em peso de SrTiO₃.

Propriedades Ópticas

DRS mostrou borda UV a 380 nm para SrTiO₃ e borda de luz visível a 520 nm para Bi₅O₇I. O compósito absorveu fortemente entre 480–520 nm, melhorando a colheita de luz visível. Lacunas de banda foram calculadas como 3,2 eV (SrTiO₃), 2,31 eV (Bi₅O₇I) e 2,38 eV (compósito 30% em peso).

Atividade Fotocatalítica

Sob luz solar simulada, o compósito de 30% em peso atingiu 89,6% de remoção de RhB em 150 min, superando ambos materiais puros. A constante de taxa aparente (k_app) foi 1,45 × 10⁻² min⁻¹, 12,5 vezes maior que SrTiO₃ e 2,97 vezes maior que Bi₅O₇I. Testes de reutilização por cinco ciclos mostraram perda negligenciável de atividade, confirmando estabilidade estrutural.

Insights Mecanísticos

Estudos com scavengers revelaram que •O₂⁻ e lacunas são as espécies oxidativas dominantes; radicais hidroxila desempenharam papel negligenciável. Espectros de PL exibiram emissão marcadamente reduzida para o compósito, indicando recombinação elétron-lacuna suprimida. Posições de banda calculadas (E_VB = 2,92 eV para Bi₅O₇I, 2,03 eV para SrTiO₃) suportam heterojunção tipo Z: elétrons fluem de SrTiO₃ para Bi₅O₇I, enquanto lacunas migram em sentido oposto, impulsionando separação eficiente de cargas e geração de •O₂⁻.

Conclusões

Projetamos nanocompósitos SrTiO₃/Bi₅O₇I via método simples de decomposição térmica que produz uma robusta heterojunção tipo Z. O compósito de 30% em peso entrega degradação fotocatalítica superior de RhB sob luz solar simulada, atribuída à absorção aprimorada de luz visível e separação eficiente de cargas. Estes achados fornecem rota escalável para fotocatalisadores de alto desempenho aplicáveis a tratamento de águas residuais e além.

Abreviações

CB

Banda de condução

VB

Banda de valência

DRS

Espectroscopia de reflectância difusa

PL

Fotoluminescência

FE-SEM

Microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo

XPS

Espectroscopia de fotoelétrons por raios X

XRD

Difração de raios X

RhB

Rodamina B