Nanoarquitecturas com propriedades fotocatalíticas e antibacterianas para o desenho de produtos amigos do ambiente

Carlos TavaresCentro de Física da Universidade do Minho

ctavares@fisica.uminho.ptwww.fisica.uminho.pt/grf

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Introdução

Nos últimos anos tem havido um interesse crescente na área dos semicondutores fotoquímicos, relacionado com desenvolvimento de materiais fotocatalíticos, em particular em indústrias com tratamento de águas residuais, com benefício para o meio ambiente e saúde.

Os revestimentos através de filmes finos nanocristalinos de titânia (TiO2 - dióxido de titânio) são indicados como

revestimentos fotoactivos, devido à capacidade intrínseca fotocatalítica de remover poluentes orgânicos dissolvidos numa determinada superfície por acção directa dos raios ultravioletas (UV) do nosso espectro solar.

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Objectivos do Projecto INL - Laboratório Internacional Ibérico de Nanotecnologia

Este projecto visa a a preparação de nanopartículas funcionais e filmes finos nanocristalinos mecanicamente robustos com uma eficiência fotocatalítica elevada.

A sua aplicação será testada na produção industrial de azulejos/tijoleira cerâmica com o objectivo de integrar propriedades fotocatalíticas e antibacterianas no desenho de um produto amigo do ambiente.

Alguns produtos orgânicos utilizados em aplicações comerciais são potencialmente cancerígenos e mutagénicos, tendo sido referidos como substâncias prioritárias nas mais recentes Directivas Comunitárias relacionadas com qualidade de ar de espaços interiores e no tratamento de efluentes industriais.

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Equipa Luso-Espanhola

Laboratório de Catálise de Materais (LCM), Faculdade de

Engenharia da Universidade do Porto

Consejo Superior de Investigaciones Científicas - Instituto

de Carboquímica (CSIC-IC), Saragoça

Centro de Física da Universidade do Minho

Universidade de A Coruña (UDC), Corunha

Poceram, Produtos Cerâmicos SA, Coimbra

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Mecanismo da fotocatálise

6

Aplicações na indústria

www.nanobest.co.kr

Pilkington

7

Aplicações na indústria

8

Aplicações na Engenharia Civil

9

Aplicações na Engenharia Civil

10

Aplicações antibacterianas

11

Laboratório de Catálise de Materiais

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Catalizadores de duas fases

Two-phase catalysts MWNT-TiO2: Carbon phase:

Multiwalled Carbon Nanotubes (MWNT), High purity (>98%) Sinthesized by catalytic chemical vapor deposition of

ethylene with a Fe/Al2O3 catalyst

Commercially available (Shenzen NTP, China) Semiconductor oxide phase:

Titanium dioxide (TiO2) Prepared by a acid modified sol-gel method

MWCNT (5, 10, 20, 40) : TiO2 (100) w/w

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h

Pollutant

CO2 + H2O

h

h

Fotocatálise: CNT/TiOFotocatálise: CNT/TiO2 2

CNT-TiO2

CNT-TiO2

CNT(H2)-TiO2

O2

h

TiO2O2

e

e

CB

VB

CNT

HO + H+ H2O

HO + H+

TiO2e

VB

CB

h

h+

CNT-TiO2

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Nanotubos de Carbono para a catálise

Elevada resistência mecânica Boa flexibilidade Boa resiliência

STRUCTURALORDER

MECHNICALPROPERTIES

CNT BASEDCOMPOSITES

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CSIC – ICB de Madrid

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Síntese Hidrotérmica de nanotubos de TiO2

TiO2 Multiwall nanotubes: OD = 7-10nm; ID = 4-5nm

TiO2 nanoparticles on TiO2 nanotubes

Anatase powder TiO2 nanotubes1) 10M NaOH, 135°C

2) 0.1M HCl

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Síntese de nanotubos de TiO2: matriz padrão

Alumina template: Anodise 25 from

Whatman (pore size = 200 nm)

Vacuum treatment

TITANIUM PRECURSORTi Isopropoxide

Thermal Treatment

Removing the alumina template

Doping

TiO2 nanotubes

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Universidade do Minho

19

Symmetric compression

of the monolayer by

two inter-linked surface

barriers

PTFE trough

DipperElectro- balance

Wilhelmy plate

Síntese de filmes de TiO2 por sol-gel

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Aqueous subphase Solid substrate Monolayer at

liquid surface

Aqueous subphase Solid substrate Monolayer at

liquid surface

Partículas de TiO2 rodeadas por

surfactante catiónico CTAB, foram depositadas em filmes de Langmuir-Blodgett

Filmes de Langmuir-Blodgett

21

TiOTiO22 preparation by 2D sol-gel process in Langmuir-Blodgett films preparation by 2D sol-gel process in Langmuir-Blodgett films

Langmuir Blodgett Monolayers of Ti(isopropoxide)+acac (acetic acid subphase)

0

5

10

15

20

120 140 160 180 200 220 240

Area (cm2)

Su

rfac

e P

ress

ure

dipping of 7 monolayersneeds optimizatoin : 0.31<Tr<6.7

Langmuir Blodgett Monolayers of Ti(isopropoxide)+acac (acetic acid subphase)

0

5

10

15

20

120 140 160 180 200 220 240

Area (cm2)

Su

rfac

e P

ress

ure

dipping of 7 monolayersneeds optimizatoin : 0.31<Tr<6.7

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

220 240 260 280 300 320 340

c.d.o(nm)

A

t=0

t=0.25h

t=0.5h

t=0.75h

t=1.25h

t=1.75h

t=2.25h

t=2.75h

t=3.25h

t=3.75h

t=4.25h

t=4.75h

t=5.25h

Photodegradation of Phenol using TiO2 in Langmuir-Blodgett FilmsPhotodegradation of Phenol using TiO2 in Langmuir-Blodgett Films

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Pulverização reactiva por magnetrão

Alvos puros de Ti Fontes pulsadas dc Pressão de base ~ 10-

5 Pa Substratos de metal,

polímero, cerâmico, têxtil, vidro …

Espessura: 50-2000 nm

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Experiências de irradiação UV-Vis

São utilizados corantes têxteis como simuladores de poluentes.

Os revestimentos fotocatalíticos são imersos no corante dentro de uma cuvete de quartzo.

Utiliza-se uma lâmpada de Xénon de de 150 W como simulador solar.

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Deposição em substratos de PVDF-,- and TrFE

0 50 100 150 200 250 300 350 400

thickness= 256.36 nmRed 41 DYE

c/c 0 (

%)

Time (min.)

TrFE PVDF- PVDF-

k= 7.525E-5 min-1

k= 1.043E-4 min-1

k= 1.292E-4 min-1

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Reactor solar fotocatalítico

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Universidade da Corunha

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Objectivos de análise química

Obtenção de informação de análises espectroscópicas e termodinâmicas referentes a espécies com tempos de vida curtos provenientes de poluentes aquáticos

Elucidar os mecanismos inerentes ao processo fotocatalítico

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

0 5 10 15 20Irradiation time (min)

HP

LC

are

a (d

etec

tio

n 2

50 n

m)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Diu

ron

(mg

L-1)

2 39 1112 13(15+16)/2 4Diuron

2828

Cl O C CH3

OH

C O

CH3

HO O C CH3

OH

C O

CH3

-Cl

HOOCHOOC

OH

HOOC

OH

or

clofibric acid

2-(4-hydroxyphenoxy)-isobutyric acid

isobutyric acid

2- or 3-hydroxyisobutyric acid

Cl OH

4 -chlorophenol

+

Cl OH

OH

HOOCHOOC

OH

HOOC

OH

or

isobutyric acid

2- or 3-hydroxyisobutyric acid

HO OH

+ -Cl

hydroquinonehydroxyhydroquinone

p-benzoquinone hydroxyhydroquinone

-Cl

hydroxybenzoquinone

aliphatic intermediates CO2

4 -chlorocatechol

-Cl

OH

phenol

Elucidar os mecanismos de reação para processos de fotólise directa

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Agradecimentos

FCT pelo financiamento do projecto do INL: Nano/NTec-CA/0046/2007

Action 540 »PHONASUM« Action 540 »PHONASUM«