Na presente tese de doutorado, foram exploradas possibilidades para a aplicação de nanopartículas (NPs) metálicas plasmônicas (fenômenos ópticos intensificados) em processos de fotocatálise e em células solares de Si. Estratégias foram exploradas para a imobilização das NPs plasmônicas em TiO2 Degussa P25 (mistura anatase:rutila 4:1) para captação da radiação eletromagnética UV/visível e somente visível em processos fotocatalíticos; e de NPs de Cu em células solares de Si para processos de fotoconversão, contribuindo com a compreensão dos fenômenos de intensificação local de energia mediados pelas NPs, o qual ainda está em debate no cenário científico. Compósitos de P25+NPs Ag de diferentes arquiteturas (fios, esferas e fotorreduzidas), de P25+NPs Ag recoberta com uma camada de SiO2 e de P25+NPs Au foram desenvolvidos. A caracterização dos materiais foi realizada por meio de técnicas de espectroscopia UV-VIS, IR e Raman, área superficial, DRX e de microscopia eletrônica de varredura e de transmissão. Os efeitos das propriedades plasmônicas dessas nanopartículas foram avaliados na eficiência de fotodegradação de três corantes (alizarina vermelha S, vermelho do Congo e fenossafranina) e de fenol. Todos os materiais plasmônicos apresentaram bom desempenho catalítico, aumentando consideravelmente a velocidade e a porcentagem de fotodegradação sob radiação UV/visível, mas principalmente sob radiação visível (onde a fotodegradação catalisada por P25 é limitada). A comparação entre a fotodegradação de fenol pelo compósito P25+NPs Ag esferas e P25+NPs Ag@SiO2 permitiu concluir que a transferência de carga não é o fenômeno que governa o aumento da eficiência catalítica em comparação à fotodegradação catalisada por P25. O fenômeno de intensificação de radiação eletromagnética localizada por meio de LSPR foi observado também em células solares de silício de primeira geração (wafer) contendo NPs de Cu imobilizadas em sua superfície. Aumentos na densidade de corrente de curto-circuito de cerca de 8 % na região acima de 750 nm e de até 16% na potência destas células solares foram observados. / In this thesis, we explored possibilities for the application of metallic plasmonic nanoparticles (NPs) resulting in intensified optical phenomena processes in photocatalysis and Si solar cell. Different strategies were explored for the immobilization of plasmonic NPs on TiO2 Degussa P25 (mixture anatase: rutile 4:1) to capture electromagnetic radiation UV / visible and visible only in photocatalytic processes; and Cu NPs in Si solar cell for photoconversion processes, contributing with the understanding of the phenomena related to the localized ressonance energy mediated by NPs, which is still under debate in the scientific field. Composites of P25+Ag NPs of various architectures (wires, spheres and photoreduced) P25+Ag NPs coated with a layer of SiO2 and P25+Au NPs were developed. The material characterization was performed by means of UV-VIS, IR and Raman spectroscopies, BET surface area, XRD and scanning and transmission electron microscopy. The effects of plasmonic nanoparticles properties were evaluated in the photodegradation efficiency of three textile dyes (Alizarin Red S, Congo red and phenosafranine) and phenol. All plasmonic materials showed good catalytic performance, greatly increasing the kinetic and percentage of photodegradation under UV/visible, but mostly under visible light (where the photodegradation catalyzed by P25 is limited). The comparison between the photodegradation of phenol by P25+Ag sphere NPs and P25+Ag@SiO2 composite showed that the charge transfer is not the phenomenon that governs the increase in catalytic efficiency when compared to the photodegradation catalyzed by P25. The phenomenon of near field intensification through LSPR was also observed in first generation Si solar cells (wafer) containing Cu NPs immobilized on its surface. Increases in the short-circuit current density of about 8% in the region above 750 nm and up to 16% in the power of these solar cells were observed.

A presente Tese, elaborada pela integração de artigos científicos publicados ou submetidos em periódicos internacionais, tem por objetivo geral investigar as potencialidades e limitações de resíduos industriais, acadêmicos e agroindustriais na obtenção de catalisadores para degradação de poluentes orgânicos. Foram utilizados resíduos industriais (banhos de galvanização, areias de fundição e petroquímico), acadêmicos (soluções residuais de aula de fotografia contendo prata e solução residual das aulas de química analítica contendo metais) e agro-industriais (casca de arroz, casca de acácia esgotada, pó de fumo) na preparação dos fotocatalisadores suportados. Os sólidos foram caracterizados por um conjunto de técnicas espectroscópicas, volumétricas, microscópicas, eletroquímicas visando descrever os catalisadores do ponto de vista, elementar, estrutural, textural e morfológico, como espectroscopia de emissão de raios X por dispersão de energia (SEM-EDX), espectroscopia de retroespalhamento Rutherford (RBS), espectroscopia de reflectância difusa no ultravioleta (DRS-UV), espectroscopia de espalhamento de raios X em baixo ângulo (SAXS), espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS), porosimetria de nitrogênio e medidas de potencial zeta (ZP). Os sistemas foram avaliados na fotodegradação de corante (rodamina B), fenol e fármacos sob radiação ultravioleta e visível. Para fins de comparação, titânia comercial P25 (Degussa) foi empregada como catalisador. Além disso, o efeito da reutilização dos catalisadores e atividade fotocatalitica frente a amostras reais foram estudados. O catalisador suportado preparado a partir do resíduo da indústria petroquímica e suportado em sílica apresentou a melhor atividade fotocatalítica na degradação de todas as moléculas testadas, tal como RhB (67 % sob radiação UV e 61 % sob radiação visível), fármaco guaifenesin ( 49 % UV e 45 % visível) e fenol (44 % UV), enquanto que o P25 comercial apresentou 93 % e 14 %, respectivamente, para a radiação ultravioleta e visível. / This thesis, developed by the integration of scientific papers published or submitted in international journals, has the objective to investigate the potential and limitations of industrial waste, academics and agroindustrial to obtain catalysts for degradation of organic pollutants. Industrial waste (galvanic baths, foundry sands and petrochemical), academics (residual solutions of class photograph containing silver and residual solution of analytical chemistry classes containing metals) and agroindustrial (rice husk, exhausted bark acacia, tobacco dust) were used in the preparation of the supported photocatalyst. The solids were characterized by a set of spectroscopic, volumetric, microscopic electrochemical techniques in order to describe elementary structural, textural and morphological properties, such as Scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX), Rutherford backscattering spectrometry (RBS), diffuse reflectance spectroscopy in the ultraviolet (DRS-UV), small-angle X-ray scattering (SAXS), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), nitrogen porosimetry and zeta potential (ZP) measurements. The catalyst activity was evaluated on the dye (RhB), phenol and drugs photodegradation under ultraviolet and visible radiation. For comparative reasons, P25 (Degussa) was also employed as the catalyst. Furthermore, the effect of reuse of catalysts and photocatalytic activity compared to real samples were also evaluated. The silica supported catalyst prepared from petrochemical waste and supported on silica showed the best photocatalytic activity in the degradation of all tested molecules, such as RhB (67% and 61% under UV and visible radiation, respectively), guaifenesin drug (49% UV and 45 % visible radiation) and phenol (44 % UV radiation), while the commercial P25 showed 93 % and 14 %, to ultraviolet and visible radiation, respectively.

Os contaminantes emergentes são considerados compostos onipresentes em águas, portanto investigar a degradação e comportamento dessas substâncias torna-se necessária, pois é reportado que estes compostos causam efeitos adversos em seres vivos. O composto 2-(tiocianometiltio) benzotiazol (TCMTB), considerado um contaminante emergente, é amplamente empregado na indústria do couro como biocida com a finalidade de inibir o desenvolvimento de microrganismos na pele. Sendo assim, o objetivo do presente trabalho foi estudar a degradação do contaminante emergente TCMTB, por meio das técnicas de fotólise direta com radiação UV, radiação solar e oxidação com ozônio. Experimentos de fotólise direta do TCMTB, em soluções aquosas com diferentes concentrações, em efluente do processo de remolho e efluente simulado do remolho, foram conduzidos em reator com lâmpada de vapor de mercúrio (250 W). O teste de hidrólise foi realizado protegido da luz, a temperatura ambiente com diferentes concentrações do TCMTB para observar o comportamento do contaminante na ausência de luz. O maior coeficiente de absorção molar foi medido e identificado em 220 e 280 nm como 20489 e 11317 M-1 cm-1, respectivamente, para pH 5,0. Os resultados experimentais da fotodegradação mostraram que TCMTB foi rapidamente degradado por fotólise direta em soluções aquosas em 30 min de tratamento fotolítico. Os resultados do estudo do pH, demonstraram que pH interfere no processo fotoquímico, uma vez que em condições alcalinas o composto é mais estável e a taxa de fotodegradação diminui. Os ensaios com o efluente do processo de remolho mostraram que a degradação do TCMTB tem comportamento semelhante às soluções aquosas. O efluente simulado do remolho mostrou que uma alta concentração do contaminante leva a um maior tempo de irradiação de luz para a degradação. A aplicação de luz natural evidenciou degradação mais lenta, mas ainda assim, foi possível observar degradação de até 96% para a concentração de 6 mg L-1 em 420 min. A utilização do oxidante ozônio como tratamento, alcançou 40% de remoção do contaminante em 30 min, assinalando a alta estabilidade do composto. Portanto, este trabalho aponta o potencial do uso de fotólise direta (luz v artificial), ou radiação solar (luz natural) para a degradação de contaminantes emergentes como o 2 (tiocianometiltio) benzotiazol (TCMTB). / Emerging contaminants are considered omnipresent compounds in water, thus investigate the degradation and behavior of these substances becomes necessary as it is reported that these compounds cause adverse effects on living beings. The 2- (thiocyanomethylthio) benzothiazole compound (TCMTB), considered an emerging contaminant, is widely used in the leather industry as a microbicide for the purpose of inhibiting the development of microorganisms in the skin and leather. In this context, the purpose of the present work was to study the degradation of the emerging contaminant TCMTB by direct photolysis with UV radiation, solar radiation and ozone. Experiments of direct photolysis of the TCMTB in aqueous solutions with different concentrations, in the effluent from the soaking process were conducted in a reactor with mercury vapor lamp (250 W). The hydrolysis test was performed protected from light at room temperature with different concentrations of TCMTB to observe the behavior of the contaminant in the absence of light. The highest molar absorption coefficient was measured and identified at 220 and 280 nm as 20489 and 11317 M-1 cm -1, respectively, at pH 5.0. The experimental results of photodegradation showed that TCMTB was rapidly degraded by direct photolysis in aqueous solutions in 30 min of photolytic treatment. The results of the pH study showed that pH interfered in the photochemical process, since under alkaline conditions the compound is more stable and the photodegradation rate decreases. Assays of the direct photolysis in effluent from the soaking process have shown that TCMTB degradation behaves similarly to aqueous solutions. The direct photolysis of the the simulated effluent from the soaking showed that a high concentration of the contaminant leads to a longer time of light irradiation for degradation. The application of natural light evidenced slower degradation, however, it was possible to observe degradation of up to 96% for the 6 mg L-1 concentration with 420 min. The use of the ozone oxidant as a treatment, achieved 40% removal of the contaminant for 30 min of treatment, indicating the high stability of the compound. Therefore, this work highlights the potential of the use of direct photolysis (artificial light), or solar radiation (natural light) for the vii degradation of emerging contaminants such as 2 (thiocyanomethylthio) benzothiazole (TCMTB).

A fotodegradação de pesticidas, como os derivados de carbamatos orgânicos, possui um papel importante do ponto de vista ambiental, pois estes são extensivamente utilizados e comumente encontrados como contaminantes da água e do solo. O Rearranjo Foto-Fries (PFR) - a conversão fotoquímica de aril ésteres para orto- e para-hidroxifenonas - desempenha um importante papel na fotodegradação de drogas e pesticidas carbamatos, além de ser um passo chave para a síntese de um grande número de compostos e polímeros funcionais. Embora exista um grande número de estudos experimentais a respeito desse rearranjo, alguns pontos dessa reação ainda estão sob debate. O objetivo deste trabalho é estudar o processo de fotodissociação em carbamatos aromáticos e derivados e, particularmente, fornecer uma visão geral do mecanismo do Rearranjo Foto-Fries, utilizando metodologias computacionais. Entre essas metodologias estão TDDFT, cálculos multiconfiguracionais e Surface Hopping. A superfície de energia potencial para o PFR foi estudada no vácuo gasosa e utilizando solvatação implícita e explícita. Nessa última, a distribuição do solvente foi obtida por simulações de Monte Carlo. Um modelo envolvendo três estados é proposto para o PFR, baseado em cálculos CASSCF(14,12)/CASPT2(14,12). Este modelo fornece uma visão global de todos os passos envolvidos na reação, da fotodissociação até a tautomerização final. O papel do solvente ainda não foi esclarecido, pois a sua adição (implícita ou explícita) não alterou significativamente o comportamento do caminho dissociativo. / The photodegradation of pesticides, such as carbamate derivatives, has an environmentally important role, since they are extensively used and commonly found as contaminants in water and soils. The Photo-Fries rearrangement (PFR) - a photochemical conversion of aryl esters to ortho- and para-hydroxyphenones - plays an important role in the photodegradation of drugs and carbamate pesticides, besides being a key step in the synthesis of a large number of compounds and functional polymers. Although there is a large number of experimental studies about the mechanism of PFR, some points of this reaction are still under debate. The goal of this work is to study the photodissociation process in aromatic carbamates and derivatives and, particularly, is to provide a comprehensive picture of PFR, based on computational methods. Several methodologies were used, such as TDDFT, multiconfigurational methods and Trajectory Surface Hopping simulations. Comprehensive explorations of the potential energy surfaces were done in the gas phase and with implicit and explicit solvent, whose distribution was obtained from sequential Monte Carlo sampling. A three-state model for the Photo-Fries Rearrangement is proposed based on CASSCF(14,12)/CASPT2(14,12) calculations. It provides a comprehensive mechanistic picture of all steps of the reaction, from the photoabsorption to the final tautomerization. The role of the solvent is still not understood since the addition of solvent (implicit or explicit) do not change the dissociative pathway significantly.

Neste trabalho foi realizado um estudo das interações entre os fungicidas (carbendazim e fuberidazole) e as partículas de argilas SWy-1, SHCa-1 e SYn-1 em suspensão aquosa. Foram determinados através de isotermas de adsorção, espectrofometria de absorção no UV, de emissão de fluorescência e difratometria de raios -X. Os resultados experimentais envolvendo a adsorção foram bem ajustados pelas isotermas de Langmuir, Freundlich e Dubinin-Radushkevich os quais indicam haver alta afinidade entre os fungicidas e as argilas. A capacidade de adsorção foi maior na argila SWy-1 comparada às argilas SHCa-1 e SYn-1, sendo estas ultimas com capacidade de adsorção similares. Foi observada a adsorção dos fungicidas carbendazim e fuberidazole à região interlamelar das partículas de argila, onde ocorre a protonação da molécula dos fungicidas, tornando-a mais estável. Medidas espectrofotométricas, na região do UV, foram efetuadas em função do tempo durante 24 horas. Pela análise dos resultados obtidos, foi possível propor um mecanismo geral para explicar as mudanças espectrais que ocorrem durante a adsorção dos fungicidas nas partículas das argilas em suspensão aquosa. Os resultados de espectrofotometria de absorção no UV do fuberidazole adsorvido nas partículas das argilas e as isotermas de adsorção indicaram que existe uma correlação entre a saturação das argilas e a saturação dos sítios ácidos no processo de adsorção. A intensidade de emissão aumentou significativamente quando o carbendazim foi adsorvido nas argilas SHCa-1 e SYn-1. No entanto, com o fuberidazole observou-se uma diminuição da fluorescência. Nenhuma emissão da fluorescência dos fungicidas carbendazim e fuberidazole adsorvidos nas partículas da argila SWy-1 foi observada devido ao alto teor de ferro. A fotodegradação do carbendazim foi significativamente acelerada quando foi adsorvido nas partículas das argilas. Foi possível observar o aparecimento de novas bandas nos espectros de absorção e de emissão dos fotoprodutos formados na argila que não foram reportados na literatura. / In the present work, studies on the interaction between the fungicides (carbendazim and fuberidazole) and clay particles in aqueous suspension. It has been studied by isotherm adsorption, UV spectroscopy, emission of fluorescence and X-Ray. The results were fitted according the Langmuir, Freundlich and Dubinin- Radushkevich isotherms indicating a high affinity between the fungicide and the clay surfaces. The adsorption capacity in the SWy-1 clay was higher than the SHCa-1 and SYn-1 clays, being these last clays with same adsorption capacity between them. The fungicides can be adsorbed as neutral molecules in the external surfaces as well can be protonated in the interlamellar region of the clay particles. Spectrofothometric measurements in the UV region were taken after different time intervals. A mechanism for the adsorption of fungicides molecules on the clay particles was perceived, leading to a better understanding of the adsorption of this compound on clays. The data obtained by the absorption spectrophotometry in the UV region of the fuberidazole adsorbed in the particle clays and its adsorption isotherms indicated the correlation between the saturation of the clays and the saturation of the acid sites in the adsorption process. When carbendazim was adsorbed on the SHCa-1 and SYn-1 clay particles, the emission intensity increased significantly. However with the fuberidazole was decreased. The emission spectra showed bands attributed to both neutral adsorbed and protonated forms of the fungicides. The emission of the fungicides molecules adsorbed on the particles of SWy-1 clays was almost totally quenched due to the high load of iron. The carbendazim photodegradation process was significantly accelerated when carbendazim was adsorbed on the clay particles compared to the aqueous phase. It was possible to determine the absorption and emission spectra of photoproducts formed on the clay particles, which were not detected in other studies reported in the literature.

Submitted by Rosivalda Pereira (mrs.pereira@ufma.br) on 2017-10-11T20:17:54Z No. of bitstreams: 1 LuzianeMaia.pdf: 1947184 bytes, checksum: 04546b4f76a70fff92d57b9fee584431 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-11T20:17:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LuzianeMaia.pdf: 1947184 bytes, checksum: 04546b4f76a70fff92d57b9fee584431 (MD5) Previous issue date: 2017-08-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Textile dyes are recognized as a serious environmental problem due the huge quantity discharged annually in water environments, and its dangerous health risks. Efficient and low cost methods for effluent treatment and recovery of impacted areas are necessary and increasingly researched. The photocatalytic degradation is one of these methods, and this work investigated the feasibility of photocatalytic degradation of the methylene blue (AM) dye from aqueous solutions (5 and 15 mgL-1) in the presence and absence of prepared catalysts (chitosanpolyacrylamide (QT-P), and chitosan-polyacrylamide doped with Zn, QT-P/ZnO). The chitosan and polyacrylamide interaction was studied as a function of the degree of deacetylation of chitosan (64, 82 and 90%), previously obtained from the deacetylation of chitin extracted from shrimp exoskeletons. The QT-P/ZnO heterostructures were characterized by FTIR, XRD and MEV. The photocatalysis experiments were performed considering the effects of pH, contact time and mass variation. AM samples were irradiated with mercury vapor lamp (black light,50W mm-2) and photocatalysis was monitored by UV-Vis spectrophotometry, at the peak wavelength of 665 nm. The results indicated that QT-P interaction is favored by deacetylation. All the materials prepared showed a catalytic effect, but the heteroestructure obtained from the chitosan with the highest degree of deacetylation (QTC-P/ZnO) was the most efficient: 99.2% (AM, 15 mg L-1, 50 min) and 99.8% (AM, 5 mg L-1, 20 min). / Corantes têxteis são reconhecidamente um problema ambiental, não apenas devido a quantidade enorme despejada anualmente em ambientes hídricos, mas também pelos riscos que representam à vida, em virtude da sua natureza química. Métodos eficientes e de baixo custo para o tratamento de efluentes e recuperação de áreas impactadas são necessários e cada vez mais pesquisados. Entre tais métodos, investigou-se a viabilidade da degradação fotocatalítica do corante Azul de Metileno (AM), a partir de soluções aquosas (5 e 15 mgL-1), na presença e ausência de catalisadores preparados à base de quitosana-poliacrilamida (QT-P), dopados com Zn (QT-P/ZnO). A interação quitosana e poliacrilamida foi estudada em função do grau de desacetilação da quitosana (64, 82 e 90%), previamente obtidas a partir da desacetilação da quitina extraída de exoesqueletos de camarão. As heteroestruturas QT-P/ZnO foram caracterizadas por FTIR, XRD e MEV. Os experimentos de fotocatálise foram realizados considerando os efeitos do pH, do tempo de contato e da variação da massa. As amostras de AM foram irradiadas com lâmpada de vapor de mercúrio (luz negra, 50W mm-2) e a fotocatálise foi monitorada por espectrofotometria UV-Vis, no comprimento de onda de 665 nm. Os resultados indicaram que a interação QT-P é favorecida pela desacetilação. Todos os materiais preparados apresentaram efeito catalítico, porém a heteroestrutura obtida a partir da quitosana com maior grau de desacetilação (QTC-P/ZnO) foi a mais eficiente: 99,2% (AM, 15 mg L-1, 50 min) e 99,8 % (AM, 5 mg L-1, 20 min).

O presente trabalho estuda a degradação fotocatalítica da nicotina em solução aquosa, um alcaloide altamente tóxico que tem sido detectado em efluentes, águas subterrâneas e água mineral. Os experimentos foram realizados em um reator batelada sob irradiação ultravioleta, tendo sido avaliadas três principais variáveis: concentração inicial do contaminante, concentração de catalisador e pH inicial da solução. Foram realizados dois planejamentos de experimentos para os catalisadores comerciais ZnO e TiO2, com o objetivo de encontrar a melhor condição para promover a degradação da nicotina em água. Outros catalisadores, preparados a partir de resíduos industriais e laboratoriais, foram testados nas condições otimizadas. O método analítico empregado para quantificar a nicotina nas amostras foi a cromatografia líquida de alta eficiência, o que permitiu registrar a formação de intermediários e subprodutos de reação. Os resultados experimentais demostraram que a degradação da nicotina por fotocatálise heterogênea é um processo bastante eficiente. Em ambos os planejamentos, o pH foi a variável que exerceu o maior efeito sobre a degradação, sendo este fortemente positivo. Já a concentração inicial de nicotina exerceu efeito negativo sobre a resposta e a concentração de catalisador em suspensão exibiu um ponto ótimo, que correspondeu a 0,91 g.L-1 para o ZnO, e 1,20 g.L-1 para o TiO2. Ensaios foram realizados nas condições otimizadas encontradas, onde cerca de 98% da molécula foi degradada utilizando ZnO em suspensão e 88% empregando TiO2, em uma hora de reação. A degradação fotocatalítica da nicotina demonstrou seguir uma cinética de pseudoprimeira ordem dentro do tempo de reação de 60 minutos, para os dois catalisadores comerciais. Entre os catalisadores não convencionais que foram testados, aquele que demonstrou o maior percentual de degradação foi obtido a partir de resíduo de uma indústria petroquímica, cerca de 43%. / The present work studies the photocatalytic degradation of nicotine in aqueous solution. This alkaloid is highly toxic and it has been detected in wastewater, groundwater and mineral water. The experiments were performed in a batch reactor under ultraviolet radiation. Three main variables of process were evaluated: initial concentration of pollutant, catalyst concentration and initial pH of the solution. Two experimental designs were performed for commercial catalysts ZnO and TiO2. The purpose was to find the best condition to promote the nicotine degradation in water. Other catalysts prepared from industrial and laboratory waste were tested under the optimized conditions. Analytical method used to quantify nicotine and its degradation products in all samples was high performance liquid chromatography. Experimental results showed that nicotine degradation by heterogeneous photocatalysis is a very efficient process. In both designs, initial pH was the most significant variable which has a strong positive effect. Initial nicotine concentration showed a negative effect, and catalyst concentration exhibited an optimal value for both commercial catalysts: 0,91 g.L-1 using ZnO, and 1,20 g.L-1 with TiO2. At the best conditions, about 98% of the molecule was degraded using ZnO and 88% with TiO2. Photocatalytic nicotine degradation followed a pseudo first order kinetic until 60 minutes of reaction for both commercial catalysts. Among the non-conventional catalysts tested, the one prepared from a petrochemical industry residue exhibited the highest photocatalytic degradation, about 43%.

Na presente tese de doutorado, foram exploradas possibilidades para a aplicação de nanopartículas (NPs) metálicas plasmônicas (fenômenos ópticos intensificados) em processos de fotocatálise e em células solares de Si. Estratégias foram exploradas para a imobilização das NPs plasmônicas em TiO2 Degussa P25 (mistura anatase:rutila 4:1) para captação da radiação eletromagnética UV/visível e somente visível em processos fotocatalíticos; e de NPs de Cu em células solares de Si para processos de fotoconversão, contribuindo com a compreensão dos fenômenos de intensificação local de energia mediados pelas NPs, o qual ainda está em debate no cenário científico. Compósitos de P25+NPs Ag de diferentes arquiteturas (fios, esferas e fotorreduzidas), de P25+NPs Ag recoberta com uma camada de SiO2 e de P25+NPs Au foram desenvolvidos. A caracterização dos materiais foi realizada por meio de técnicas de espectroscopia UV-VIS, IR e Raman, área superficial, DRX e de microscopia eletrônica de varredura e de transmissão. Os efeitos das propriedades plasmônicas dessas nanopartículas foram avaliados na eficiência de fotodegradação de três corantes (alizarina vermelha S, vermelho do Congo e fenossafranina) e de fenol. Todos os materiais plasmônicos apresentaram bom desempenho catalítico, aumentando consideravelmente a velocidade e a porcentagem de fotodegradação sob radiação UV/visível, mas principalmente sob radiação visível (onde a fotodegradação catalisada por P25 é limitada). A comparação entre a fotodegradação de fenol pelo compósito P25+NPs Ag esferas e P25+NPs Ag@SiO2 permitiu concluir que a transferência de carga não é o fenômeno que governa o aumento da eficiência catalítica em comparação à fotodegradação catalisada por P25. O fenômeno de intensificação de radiação eletromagnética localizada por meio de LSPR foi observado também em células solares de silício de primeira geração (wafer) contendo NPs de Cu imobilizadas em sua superfície. Aumentos na densidade de corrente de curto-circuito de cerca de 8 % na região acima de 750 nm e de até 16% na potência destas células solares foram observados. / In this thesis, we explored possibilities for the application of metallic plasmonic nanoparticles (NPs) resulting in intensified optical phenomena processes in photocatalysis and Si solar cell. Different strategies were explored for the immobilization of plasmonic NPs on TiO2 Degussa P25 (mixture anatase: rutile 4:1) to capture electromagnetic radiation UV / visible and visible only in photocatalytic processes; and Cu NPs in Si solar cell for photoconversion processes, contributing with the understanding of the phenomena related to the localized ressonance energy mediated by NPs, which is still under debate in the scientific field. Composites of P25+Ag NPs of various architectures (wires, spheres and photoreduced) P25+Ag NPs coated with a layer of SiO2 and P25+Au NPs were developed. The material characterization was performed by means of UV-VIS, IR and Raman spectroscopies, BET surface area, XRD and scanning and transmission electron microscopy. The effects of plasmonic nanoparticles properties were evaluated in the photodegradation efficiency of three textile dyes (Alizarin Red S, Congo red and phenosafranine) and phenol. All plasmonic materials showed good catalytic performance, greatly increasing the kinetic and percentage of photodegradation under UV/visible, but mostly under visible light (where the photodegradation catalyzed by P25 is limited). The comparison between the photodegradation of phenol by P25+Ag sphere NPs and P25+Ag@SiO2 composite showed that the charge transfer is not the phenomenon that governs the increase in catalytic efficiency when compared to the photodegradation catalyzed by P25. The phenomenon of near field intensification through LSPR was also observed in first generation Si solar cells (wafer) containing Cu NPs immobilized on its surface. Increases in the short-circuit current density of about 8% in the region above 750 nm and up to 16% in the power of these solar cells were observed.

A fotoestabilidade é uma propriedade das moléculas que, quando utilizada como parâmetro farmacêutico, descreve como um fármaco responde à exposição à luz (solar ou artificial). No presente trabalho, foi avaliada a fotoestabilidade dos fármacos loratadina (LORA) e acetazolamida (ACZ) e de complexos LORA-ciclodextrinas. O estudo de fotoestabilidade de LORA (Capítulo 2) indicou que o fármaco é estável quando no estado sólido, porém, ocorre surgimento de coloração intensa. Por outro lado, quando em solução, observou-se degradação do fármaco, com surgimento de vários fotoprodutos denominados F1 a F15, dentre os quais foi possível identificar cinco compostos: F4 (C13H10N), F10 (C14H10CIN), F8 (C20H18CIN2O), F9 (C19H18CIN2) e F14 (C17H14CIN). A validação do método analítico CLAE, utilizado para quantificação de LORA em especialidades farmacêuticas (comprimidos e xaropes) é descrita no Capítulo 3. Na avaliação da fotodegradação forçada de formulações líquidas contendo LORA, foram degradados até 50% do fármaco. As formulações sólidas apresentaram-se fotoestáveis, observando-se perda de menos de 5% do fármaco. Não foram encontrados produtos de fotodegradação nas formulações, quando analisadas tal qual, obtidas do mercado. Dessa forma, as embalagens primárias garantiram sua estabilidade. A complexação de LORA com ciclodextrinas (Capítulo 4) mostrou-se um recurso bastante interessante para melhorar a fotoestabilidade do fármaco, uma vez que, após 12 horas de irradiação luminosa, é possível recuperar até 99% deste, quando na forma de complexo com γ-CD na proporção 1:1. Finalmente, o Capítulo 5 traz o método CLAE desenvolvido e validado para avaliação da acetazolamida (ACZ), o qual mostrou-se adequado para a quantificação do fármaco, obtendo-se ótima linearidade, precisão, exatidão e seletividade. Segundo as condições do guia Q1B, a ACZ se manteve estável quando submetida à radiação luminosa utilizando meios aquosos e no estado sólido. No entanto, a fotoestabilidade da ACZ foi afetada na presença de metanol, sendo possível quantificar três impurezas. / Photostability is a property of molecules that, when used as a pharmaceutical parameter, can describe how a drug responds to exposure to light (either solar or artificial). In this study, the photostability of the drugs loratadine (LORA) and acetazolamide (ACZ), as well as LORA-cyclodextrin complexes, was evaluated. A study of the photostability of LORA (Chapter 2) indicated that the drug is stable in its solid form, however intense coloring does occur. On the other hand, when in solution form, degradation of the drug was observed, with the appearance of several photoproducts that we labled F1 to F15, among which it was possible to identify five compounds: F4 (C13H10N), F10 (C14H10CIN), F8 (C20H18CIN2O), F9 (C19H18CIN2) and F14 (C17H14CIN). The validation of the analytical method by HPLC, used for the quantification of LORA in pharmaceutical products (tablets and syrups) is detailed in Chapter 3. In the evaluation of forced photodegradation of liquid formulations containing LORA, up to 50% of the drug was degraded. The solid formulations proved to be photostable, with a loss of less than 5% of the drug. No photodegradation products were found in the formulations when they were analyzed \"as is\" (the way they were obtained from the commercial market). Accordingly, their primary packaging protected their stability. The complexation of LORA with cyclodextrins (Chapter 4) proved to be an effective resource for improving the photostability of the drug, since, after 12 hours of luminous radiation, it was possible to recover up to 99% of the drug, when in the complex form with γ-CD, in the proportion 1:1. Finally, Chapter 5 describes the HPLC method developed and validated for the evaluation of acetazolamide (ACZ), which proved to be adequate for the quantification of the drug, with the attainment of optimal linearity, precision, exactness and selectivity. According to the conditions of the Q1B guideline, ACZ was stable when subjected to luminous radiation using aqueous means and in its solid state. However, the photostability of ACZ was affected by the presence of methanol, and we were able to quantify three impurities.

A terapia fotodinâmica (TFD) é uma modalidade de tratamento para o câncer baseado na interação da luz com um agente fotossensibilizador (FS) e o oxigênio molecular presente na célula alvo. A TFD apresenta vantagens sobre os métodos tradicionais de tratamentos como o dano seletivo às células neoplásicas, ausência de intervenção cirúrgica, possibilidade de repetição do procedimento e efeitos colaterais controlados. Uma das limitações da técnica é a profundidade de pouca penetração da luz no tecido biológico e consequentemente o volume tecidual tratado. Uma alternativa para superar esta limitação é o emprego de fonte de luz pulsada que comparativamente a irradiação com luz contínua (CW), apresenta maior potência de pico levando a uma maior profundidade de penetração e maior formação de espécies reativas de oxigênio. O objetivo deste trabalho é a avaliação da TFD utilizando fonte de luz pulsada no regime de femtossegundos através de ensaios in vitro da fotodegradação de dois tipos de FSs e da necrose induzida em fígado sadio de ratos (estudos in vivo). Nos estudos in vitro foram avaliadas a fotodegradação do Photogem (PG - 8μg/mL) e do Photodithazine (PDZ - 6μg/mL), para as irradiâncias de 280, 340 e 400 mW/cm2 com PG, e 15, 56 e 112 mW/cm2 para o PDZ. Nos estudos in vivo foram avaliados o perfil de necrose induzida com as fontes de luz CW e pulsado em modelo animal, que receberam PG e PDZ nas concentrações de 1,5 mg/kg e 1,0 mg/kg, respectivamente. Foram irradiados com 74 mW/cm2 (PG) e 102 mW/cm2(PDZ) e dose total de energia de 150 J/cm2. Posteriormente foi avaliada a dependência de profundidade de necrose com a irradiância (60, 80, 107, 127, 138, 188 e 229 mW/cm2) utilizando PG e com dose total entregue de 150 J/cm2. As fontes de luz empregadas foram um laser de diodo 630 nm (PG), um laser de diodo emitindo em 660 nm (PDZ) e um laser de Ti:Safira, taxa de repetição de 1 kHz, comprimento de onda 800 nm e largura de pulso de 75 fs em associação com amplificador paramétrico óptico (APO) para conversão de comprimentos de onda na região de 400 - 1150 nm. Os experimentos in vitro mostraram que taxa de fotodegradação para o PG foi maior utilizando o laser pulsado do que para o laser CW. Quando utilizado o PDZ, o laser CW promoveu uma taxa de fotodegradação maior do que o pulsado. Nos estudos in vivo, foi observada a necrose induzida com laser pulsado cerca de duas vezes mais profunda do que a induzida pelo laser CW, enquanto necrose induzida pelo laser pulsado com PDZ foi maior do que a do laser CW. No estudo da dependência da profundidade de necrose em função da irradiância, o laser pulsado induziu profundidade de necrose maior do que o laser CW para irradiâncias abaixo de 80 mW/cm2, acima desta irradiância, o laser CW e o pulsado não mostraram diferença significativa. Estes resultados mostram que a combinação da fonte de luz pulsada e PG podem ser consideradas como alternativa para aumentar o volume tecidual tratado, porém, devem-se observar os parâmetros empregados para se obter o maior volume tecidual tratado. O mesmo resultado não foi observado para o PDZ como fotossensibilizador, o que indica uma forte dependência dos mecanismos da TFD com o FS e o regime de iluminação empregado. / Photodynamic therapy (PDT) is a therapeutic modality for cancer based on light, a photosensitizer agent (PS) and molecular oxygen into the target cells. PDT has advantages over traditional treatments, such as, selective damage to tumor cells, absence of surgical intervention, possibility of repeated procedures and controlled side effects. One of the limitations of PDT is the low light penetration in biological tissues and hence the treated tissue volume. An alternative to overcome this limitation is the use of pulsed light sources that compared to continuous (CW) irradiation, present higher peak power leading to a greater penetration depth and enhancing the reactive oxygen species production. The aim of this study is to evaluate PDT using pulsed light source at femtosecond regime through in vitro photodegradation of two PSs types and in vivo induced necrosis in healthy rat liver. In the in vitro study we evaluated the photodegradation of Photogem (PG - 8μg/mL) and Photodithazine (PDZ - 6μg/mL), at different irradiances (280, 340, and 400 mW/cm2 for PG and 15, 56 and 112 mW/cm2 for PDZ). In the in vivo studies the induced necrosis profile with CW laser and Pulsed Laser were evaluated in animal model which received PG (1,5 mg/kg) and PDZ (1,0 mg/kg) and were irradiated with 74 mW/cm2 and 102 mW/cm2, respectively, and the fluence was 150 J/cm2. After that, the dependence of depth of necrosis with irradiance (60, 80, 107, 127, 138, 188 and 229 mW/cm2) with PG and 150 J/cm2 of fluence was evaluated. The light source used in those studies were a 630 and 660 nm diode laser (PG and PDZ excitation light, respectively) and a Ti:Sapphire Regenerative Amplifier laser, 1 kHz repetition rate, 800 nm wavelength and 75 fs pulse width in association with an optical parametric amplifier (OPA) to convert 400-1150 wavelengths. The in vitro results showed that the PG photodegratation rates were greater to pulsed laser when compared with CW laser. When PDZ was used, the photodegradarion rates with pulsed laser were lower than CW laser. In the in vivo studies, the induced necrosis with pulsed laser was twice the induced by CW laser with PG as photosensitizer. When PDZ was used, the induced necrosis was greater for CW laser than for pulsed laser. For different irradiances, the depth of necrosis induced by CW laser was greater than for pulsed laser below 80 mW/cm2, above this, the pulsed and CW laser did not show difference. These results demonstrated that pulsed light and PG can be considered an alternative to enhance the treated tissue volume. The same was not observed to PDZ, which indicate the strong dependence of PDT mechanisms with PS and the light regime applied.