alexandre luiz bonizio baccaro

207 Pages·2017·2.9 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
INSTITUTO DE QUÍMICA
Programa de Pós-Graduação em Química

ALEXANDRE LUIZ BONIZIO BACCARO

Fenômeno fotoeletrocatalítico mediado por
UV/TiO : da rápida imobilização do TiO P25 em
2 2
eletrodos de ouro ao seu comportamento na
fotooxidação do sistema modelo EDTA em células
de camada delgada irradiadas por LED UV

Versão Corrigida da Tese

São Paulo

Data do Depósito na SPG:
17/03/2017
ALEXANDRE LUIZ BONIZIO BACCARO

Fenômeno fotoeletrocatalítico mediado por
UV/TiO : da rápida imobilização do TiO P25 em
2 2
eletrodos de ouro ao seu comportamento na
fotooxidação do sistema modelo EDTA em células
de camada delgada irradiadas por LED UV

Tese apresentada ao Instituto de Química da
Universidade de São Paulo para obtenção do
Título de Doutor em Ciências (Química)

Orientador: Prof. Dr. Ivano Gebhardt Rolf Gutz

São Paulo
2017

Dedico esse trabalho à minha família: desde aqueles que corrigem meus vícios e
elogiam minhas virtudes diariamente até os que me guiam de outra vida.
AGRADECIMENTO
À minha família, acima de tudo com a expressão do meu mais sincero carinho e
admiração. Se estou defendendo minha tese, devo isso integralmente aos meus pais Luiz
Alberto e Cristina que jamais mediram esforços para me formar. Muito obrigado pela ajuda,
desde cada ensinamento em casa até o exemplo profissional a ser seguido. Bia, minha irmã,
atribuo a você meu sorriso ☺. Larissa, a você entrego meu coração ♥. Aos meus avós,
desde aquela que nunca conheci até meus quatro queridos de sempre: do carinho ao
exemplo. Ao meu avô Hermínio Bonizio eu dedico toda a minha espiritualidade. Saiba vô
que, onde quer que você esteja, você realmente me faz muita falta 0:-)
A todos os meus mestres do Mackenzie, lugar onde me graduei e sinto muita
saudade, especialmente ao Prof. Dr. Jairo J. Pedrotti, por me ensinar meu “primeiro
engatinhar” na ciência.
Ao meu sempre compreensivo orientador Prof. Dr. Ivano G. R. Gutz, pela sabedoria,
paciência, dedicação, estudo, esforço e aceitação. Muito obrigado pela atenção e cuidado
com cada artigo escrito por nós e peço desculpas por falhas que eu tenha cometido. Muito
obrigado por todo o apoio que recebi. E juntamente ao Prof. Lúcio Angnes, muito obrigado
por acreditar em mim e no meu trabalho e, mesmo sob um momento de crise nacional tão
intenso como o que vivemos, agradeço imensamente ambos pela enorme coragem de lutar
pela minha carreira seja de qualquer uma das formas que o fazem. Ao Prof. Claudimir, muito
obrigado pelo auxílio sempre que necessário e as valiosas oportunidades na FUVEST.
Aos meus colegas de laboratório, em especial Dr. Fernando S. Lopes, pelo auxílio
sempre como especialista e amigo e aos Profs. Drs. Vagner B. Santos, Carlos Neves e
Fabiana S. Félix pelos valiosos conselhos, amizade e conversas “cabeça”! Às “figurinhas” de
laboratório Cris, Dóris e Sandra pelos conselhos para crescimento humano durante
conversas rápidas de corredor e monitorias! Meu álbum não estaria completo sem vocês!
Aos meus amigos: Lucas, Herbert, Massaki, Othon, Fulvio, Monsenhor, Mical, Sônia,
Luís, Vanessa, Eduardo, Suely, Eugênia e tantos outros. Ao CNPq agradeço pela bolsa.
Muito Obrigado! Espero que tudo tenha valido tanto para todos como valeu para mim!
“Quem lida com ciência não pode separar totalmente o trabalho do lazer. Isso
não é obsessão pelo trabalho, mas amor à Arte, a espera da criatividade.”
Eduardo F. A. Neves
RESUMO

Baccaro, A.L.B. Fenômeno fotoeletrocatalítico mediado por UV/TiO : da rápida
2
imobilização do TiO P25 em eletrodos de ouro ao seu comportamento na
2
fotooxidação do sistema modelo EDTA em células de camada delgada irradiadas por
LED UV. 2017. 206 p. Tese. Programa de Pós-Graduação em Química. Instituto de
Química, Universidade de São Paulo, São Paulo.

O demorado tratamento térmico, comum no preparo de fotocatalisadores e sua imobilização
em substratos, foi contornado nesta tese, em que se investigaram duas estratégias de
modificação de eletrodos de ouro com TiO P25. A primeira consiste em promover a
2
formação de uma nanocamada pela simples exposição do metal por 1 min à suspensão
aquosa de TiO (10 g L–1 em HCl 0,1 mol L–1); na segunda, deposita-se uma pequena
2
alíquota (5 ou 8 µL) da suspensão diretamente no substrato (drop coating) para secá-lo em
seguida por irradiação com lâmpada incandescente (60 W a 20 cm), obtendo-se bons
resultados de uma a três camadas depositadas. Comprovou-se grande aumento da
estabilidade da suspensão aquosa e duplicação da atividade fotocatalítica do nanofilme de
TiO em decorrência da repulverização de P25 comercial em almofariz, melhoria
2
inalcançável por sonicação da suspensão. O tamanho de partícula médio obtido por DLS
para o TiO disperso em meio de HCl 0,1 mol L–1 atingiu 103±3 nm, enquanto que o filme
2
depositado na superfície do ouro (observado por MEV e caracterizado por EDS) não
ultrapassou 100 nm de espessura, sendo dominado por partículas de diâmetro de 20
(anatase) a 30 nm (rutilo), observadas por MET. A estabilidade da suspensão é susceptível
ao ânion do ácido utilizado, sendo que resultados igualmente satisfatórios foram obtidos
com HCl e HClO 0,1 mol L–1, enquanto que para a mesma concentração de H SO o TiO
4 2 4 2
sofreu sedimentação rápida e o eletrodo preparado com a suspensão apresentou
fotoatividade 10x menor. Filmes de espessuras bastante distintas (100 nm e 2 µm)
depositados a partir de suspensão 10 g L–1 por contato e drop coating com gota de 5,0 µL,
respectivamente, foram comparados em relação à sua capacidade de transporte de elétrons
e resposta eletroquímica ao Fe(CN) 3– 1,0 mmol L–1, sendo que a carga líquida formal de
6
oxidação do EDTA 1,0 mmol L–1 é apenas 50 % maior para o filme 20x mais espesso, além
de gerar distorções consideráveis nas ondas voltamétricas do sistema-sonda reversível em
relação ao filme nanométrico e à superfície polida. Com eletrodos modificados pelo
protocolo otimizado de drop coating (8,0 µL de TiO 2 g L–1), testou-se o efeito da presença
2
de diferentes eletrólitos de suporte (ácidos 0,1 mol L–1) em processos anódicos de
fotooxidação em geral. A curva de decaimento da fotocorrente iph com o tempo pode ser
descrita por uma equação de decaimento exponencial duplo iph = i + A exp(–k t) + A exp(–
0 1 1 2
k t), permitindo distinguir as contribuições da fotocorrente de oxidação da água (i ) e de
2 0
termos referentes a dois tipos de sítio superficiais, sendo um de cinética rápida e outro de
cinética lenta. A seguinte ordem foi determinada para a fotocorrente total inicial (iph total) dos
0
eletrólitos: HNO > HClO > HCl > H SO > H PO e as explicações propostas para tal se
3 4 2 4 3 4
embasam na adsortividade dos ânions no TiO e na reatividade dos respectivos traps
2
formados. O mesmo modelo de ajuste matemático foi utilizado para avaliar a fotoatividade
do eletrodo modificado pela sua irradiação sucessiva e repetida em HNO 0,1 mol L–1 (sem
3
EDTA), sendo observada redução significativa principalmente nos parâmetros relativos aos
sítios de reação e, assim, sugere-se um impedimento dos mesmos através, p. ex., da
formação de peróxidos superficiais. Na presença também de EDTA, a carga líquida total
despendida na sua fotooxidação se mantém relativamente constante nas sucessivas
irradiações. Por fim, os experimentos de fotooxidação do EDTA sob varredura de potencial
revelaram uma região de relação linear entre a fotocorrente e o potencial aplicado ao
eletrodo modificado com TiO que se estende até a região de saturação de fotocorrente ser
2
atingida, comportamento compatível com filmes nanoparticulados porosos não-dopados. A
inclinação da região linear aumenta em função da [EDTA], como se os valores de
condutância (di/dE) se elevassem dependendo da reação interfacial. Ajuste de modelo
matemático hiperbólico correlacionando a (foto)resistência do filme em função da
fotocorrente de saturação R = R + kIsph–1, fornece resistência ôhmica do filme R de 5,0 kΩ
0 0
e uma constante atrelada ao fotopotencial de 237 mA Ω. Já a curva monotônica de
fotocorrente de saturação (Isph) com a [EDTA] apresenta comportamento linear até cerca de
0,7 mmol L–1, sugerindo-se que nessa região o controle por transporte de massa é a etapa
limitante do processo global. Acima dessa concentração o coeficiente angular diminui
gradualmente à medida que a reação de cinética de captura das lacunas passa a ser o
determinante até um limite máximo (aparentemente 5,0 mmol L–1 de EDTA, nas condições
do experimento) onde a disponibilidade de lacunas fotogeradas passa a governar.

Palavras-chave: Fotocatálise UV/TiO , Filmes Nanoparticulados de P25 em Ouro,
2
Modificações de Eletrodos por Drop Coating, Fotooxidação de EDTA.
ABSTRACT

Baccaro, A.L.B. The photoelectrocatalytic phenomenon mediated by UV/TiO : from the
2
quick immobilization of the P25 TiO on gold electrodes to its behavior on the
2
photooxidation of the model system EDTA in thin layer-type cells irradiated by UV–
LED. 2017. 206 p. PhD Thesis. Graduate Program in Chemistry. Institute of Chemistry,
University of Sao Paulo, Sao Paulo.
The lengthy thermal treatment is a common step during the preparation and immobilization of
photocatalysers on substrates, which by the way, was overcome in this thesis by the
investigation of two strategies of modification of gold electrodes with P25 TiO . The first one
2
consists in promoting the formation of a nanolayer by the simple exposure of the metal
surface to an aqueous suspension of TiO (10 g L–1 on 0.1 mol L–1 HCl) during 1 min; the
2
second involves the deposition of a small drop (5 or 8 µL) of the suspension on the gold
substrate (drop coating) and its drying by irradiation with an incandescent lamp (60 W at
20 cm far), with worthy results also for two or three deposited layers. The stability of this
aqueous suspension was appreciably improved by the repulverization of commercial P25 in
a grinding mortar. As a consequence the photocatalytic activity conferred to the electrode by
the formation of the TiO nanofilm doubled. Such improvements cannot be attained by bath
2
sonication of the suspension. The average particle size determined by DLS for the TiO
2
dispersed in 0.1 mol L–1 HCl was 103±3 nm, while the film deposited on the surface of gold
consisted of particles of 20 nmn (anatase) and 30 nm (rutile) characterized by TEM and
barely achieved a thickness of 100 nm (characterized by SEM and EDS). The stability of the
modifying suspension is susceptible to the type of anion of the electrolyte. Good results were
found with 0.1 mol L–1 HCl and HClO , but not with 0.1 mol L–1 H SO This last medium
4 2 4.
causes fast sedimentation of TiO and generates electrodes with one tenth of the
2
photoactivity achieved with the other acids. The effect of film thickness on the photoactivity
was evaluated for films with 100 nm and 2.0 µm prepared from a 10 g L–1 TiO suspension by
2
the contact and drop coating (5 µL) strategies, respectively. The electron transport across
both films and the electrochemical response for the 1.0 mmol L–1 Fe(CN) 3– probe was
6
compared. The formal net charge for the 1.0 mmol L–1 EDTA oxidation was only 50 % higher
for the 20x thicker film that also considerably distorts the voltammetric waves of the
aforementioned reversible probe. The effect of different supporting electrolytes (0.1 mol L–1
acids) on the anodic photooxidation processes in general was tested with electrodes
modified by an optimized drop coating protocol (8.0 µL of 2 g L–1 TiO ). The curve describing
2
the photocurrent decay in function of time might be ascribed to an equation of double