Síntese de pontos quânticos de grafeno e heteroestruturas a partir de resíduo de biomassa: caracterização e aplicação

Abstract

Neste trabalho, foram sintetizados pontos de carbono (CDs), especificamente pontos quânticos de grafeno (GQDs), via síntese verde, empregando-se carbonização hidrotérmica (HTC) do bagaço de malte. Para isso, realizou-se um delineamento experimental (DOE), baseado na matriz de Doehlert, para se investigar a influência da temperatura e do tempo de residência HTC na fotodegradação do corante alaranjado de metila, totalizando 9 tratamentos. As suspensões coloidais contendo os CDs resultante do processo (n = 9) foram caracterizadas e apresentaram valores de pH menores que 3,13, elevada condutividade elétrica na faixa de 1,0- 3,0 mS cm -1 e cargas superficiais positivas identificadas pelo potencial zeta. A correlação negativa entre potencial redox e a temperatura HTC indicaram formação de espécies mais reduzidas com o aumento da temperatura. Os espectros de FTIR também identificaram essa tendência, além de indicar uma possível autodopagem dos CDs com nitrogênio. As imagens de MET permitiram a identificação de anéis hexagonais característicos de GQDs. Uma coloração azul foi visualizada ao se emitir luz UV de 365 nm sobre a amostra, dando mais um indício de autodopagem com nitrogênio. O rendimento quântico (QY) das suspensões variou de 0,3 a 4,9 %, sendo a excitação e emissão máximas para o ponto experimental 150 °C por 14h em 327 e 400 nm, respectivamente. Nos ensaios de fotodegradação, verificou-se melhor porcentagem de degradação do AM (70%) pela suspensão tratada a 150 °C por 14 h em 7 h de reação, cuja curva cinética foi dividida em duas etapas com constantes de velocidades iguais a 1,0 x 10 -3 e 4,7 x 10 -3 min -1 , respectivamente. As principais espécies reativas que contribuem para o processo são − ). Ensaios realizados com agitação no escuro antes o radical ∙O 2- e os elétrons fotogerados (e BC da irradiação com luz UV indicaram que, ocorre um recobrimento dos CDs por parte das moléculas do AM, impedindo a ativação dos CDs pela luz. Foi possível se construir uma heteroestrutura CDs/ZnO que, na proporção de 2,00 mL de CDs/ g de ZnO apresentou uma constante de velocidade de 5,1 x 10 -3 min -1 . Com isso, foi possível destacar a importância dos CDs na área de fotocatálise e o potencial do material sintetizado a partir de resíduos de biomassa, colaborando para uma dinâmica de resíduo zero e economia sustentável nos processos industriais.Palavras-chave: Síntese hidrotérmica. Semicondutor. Degradação. Biomassa. Fotocatálise. Alaranjado de metila.

In this work, carbon dots (CDs) were green synthesized, especially graphene quantum dots (GODs), by hydrothermal carbonization (HTC) using brewer’s spent grains. To this end, a Doehlert matrix-based experimental design (DOE) was performed to investigate the influence of temperature and HTC residence time on the photodegradation of methyl orange (MO) dye, totaling 9 treatments. The colloidal suspension containing CDs resultant from this process (n=9) was characterized resulting in pH values minor than 3,13, high electric conductivity in a range of 1,0-3,0 mS cm −1 and positive superficial charges identified by zeta potential. The negative correlation between redox potential and HTC temperature indicates a formation of lowered species under higher temperatures. The FTIR spectrums also identified this tendency, and also indicated a possible CD’s autodoping with nitrogen. TEM images allowed to identify hexagonal rings which are characteristics of GQDs. A blue color was seen when using emissions of 365nm light UV giving one more sign of nitrogen autodoping. The suspensions quantum yield ranged from 0,3 to 4,9 %. For the experimental point 150 °C for 14 h the maximum excitation and emission occurs at 327 nm and 400 nm, respectively. The photodegradation tests showed a better percentage degradation of MO by the suspension treated at 150 °C for 14h (70%) in 7 h of reaction, whose kinetic curve was divided into two steps with velocity constants equal to 1,0 x 10 -3 min -1 and 4,7 x 10 -3 min -1 . The reactive species that contribute most to the process are − the ∙O 2- radical and the radical e BC . Tests performed with shaking in the dark before irradiation with UV light indicated that there is a masking of the CDs by the MO molecules preventing activation of the CDs by the light. It was possible to build a CDs/ZnO heterostructure, which for an intermediate ratio of 2,00 mL of CDs /g of ZnO obtained a speed constant of 5,1 x 10 -3 min -1 . With this it was possible to highlight the importance of CDs in the area of photocatalysis and the potential of the material synthesized from biomass waste, contributing to a dynamic of zero waste and sustainable economy in industrial processes. Keywords: Hydrothermal synthesis. Semiconductor. Degradation. Biomass. Photocatalysis. Methyl orange.