Este estudo propôs uma avaliação do papel dos três principais parâmetros clássicos da síntese do nitreto de carbono grafítico: temperatura final, tempo de permanência na temperatura final e taxa de aquecimento. Realizou-se a otimização da síntese, via metodologia de superfície de resposta, usando-se como variável-resposta a degradação fotocatalítica de um poluente-modelo (tartrazina). A significância estatística dos fatores foi confirmada, com 95% de confiança. Em seguida, um modelo de segunda ordem foi ajustado às melhores respostas e, no ponto de máxima degradação, as condições foram: 605oC por 183 min, com taxa de aquecimento de 5oC min-1. A taxa de degradação com o fotocatalisador sintetizado foi aproximadamente três vezes maior que a da fotólise. As amostras da região de melhores respostas foram analisadas em uma série de experimentos de caracterização, sendo eles: difratometria de raios X, espectroscopia na região do infravermelho médio, área superficial específica, microscopias de varredura (MEV e MEV-FEG), potencial zeta e espectroscopia de reflectância difusa na região do ultravioleta-visível. O fotocatalisador com maior atividade apresentou menor energia de band gap e maior área superficial especifica do que as relatadas na literatura (2,59 eV e 29,5 m2 g-1, respectivamente). Foram criadas heteroestruturas entre o fotocatalisador sintetizado e o trióxido de tungstênio. A partir de uma série de caracterizações básicas, confirmou-se a formação da heteroestrutura. Com essa heteroestrutura, a taxa de degradação foi aproximadamente cinco vezes maior que a com o nitreto de carbono grafítico. / This study proposed an assessment of the role of the three major classical parameters for synthesizing graphitic carbon nitride: final temperature, residence time at the final temperature and heating rate. The synthesis was optimized, via response surface methodology, using the photocatalytic degradation of a model pollutant (tatrazine) as the response-variable. The statistical significance of the factors was confirmed, within 95% confidence level. Afterwards, a second-order model was adjusted to the better responses and, at the maximum degradation point, the conditions were: 605oC for 183 min, with heating rate of 5oC min-1. The degradation rate with the synthetized photocatalyst was approximately three times greater than the photolytic one. The samples from the better response region were analyzed in a series of characterization experiments: X ray diffractometry, mid-infrared spectrometry, specific surface area, scanning electron microscopy (SEM and FEG-SEM), zeta potential, and ultraviolet-visible diffuse reflectance spectroscopy. The most active photocatalyst showed smaller band gap energy and greater specific surface area than the ones reported in literature (2.59 eV and 29.5 m2 g-1, respectively). Heterostructures were formed between the synthetized photocatalyst and tungsten trioxide. A series of basic characterization techniques confirmed the heterostructure formation. Using this heterostructure, the degradation rate was approximately five times greater than the one with graphitic carbon nitride.

Este estudo propôs uma avaliação do papel dos três principais parâmetros clássicos da síntese do nitreto de carbono grafítico: temperatura final, tempo de permanência na temperatura final e taxa de aquecimento. Realizou-se a otimização da síntese, via metodologia de superfície de resposta, usando-se como variável-resposta a degradação fotocatalítica de um poluente-modelo (tartrazina). A significância estatística dos fatores foi confirmada, com 95% de confiança. Em seguida, um modelo de segunda ordem foi ajustado às melhores respostas e, no ponto de máxima degradação, as condições foram: 605oC por 183 min, com taxa de aquecimento de 5oC min-1. A taxa de degradação com o fotocatalisador sintetizado foi aproximadamente três vezes maior que a da fotólise. As amostras da região de melhores respostas foram analisadas em uma série de experimentos de caracterização, sendo eles: difratometria de raios X, espectroscopia na região do infravermelho médio, área superficial específica, microscopias de varredura (MEV e MEV-FEG), potencial zeta e espectroscopia de reflectância difusa na região do ultravioleta-visível. O fotocatalisador com maior atividade apresentou menor energia de band gap e maior área superficial especifica do que as relatadas na literatura (2,59 eV e 29,5 m2 g-1, respectivamente). Foram criadas heteroestruturas entre o fotocatalisador sintetizado e o trióxido de tungstênio. A partir de uma série de caracterizações básicas, confirmou-se a formação da heteroestrutura. Com essa heteroestrutura, a taxa de degradação foi aproximadamente cinco vezes maior que a com o nitreto de carbono grafítico. / This study proposed an assessment of the role of the three major classical parameters for synthesizing graphitic carbon nitride: final temperature, residence time at the final temperature and heating rate. The synthesis was optimized, via response surface methodology, using the photocatalytic degradation of a model pollutant (tatrazine) as the response-variable. The statistical significance of the factors was confirmed, within 95% confidence level. Afterwards, a second-order model was adjusted to the better responses and, at the maximum degradation point, the conditions were: 605oC for 183 min, with heating rate of 5oC min-1. The degradation rate with the synthetized photocatalyst was approximately three times greater than the photolytic one. The samples from the better response region were analyzed in a series of characterization experiments: X ray diffractometry, mid-infrared spectrometry, specific surface area, scanning electron microscopy (SEM and FEG-SEM), zeta potential, and ultraviolet-visible diffuse reflectance spectroscopy. The most active photocatalyst showed smaller band gap energy and greater specific surface area than the ones reported in literature (2.59 eV and 29.5 m2 g-1, respectively). Heterostructures were formed between the synthetized photocatalyst and tungsten trioxide. A series of basic characterization techniques confirmed the heterostructure formation. Using this heterostructure, the degradation rate was approximately five times greater than the one with graphitic carbon nitride.

O objetivo do presente trabalho foi a otimização, via metodologia de superfície de resposta, da síntese de compósitos de nitreto de carbono grafítico e óxido de grafeno reduzido, por via úmida, para aplicação em fotodegradação de poluentes orgânicos, empregando-se como poluente-modelo o Bisfenol A (BPA) em meio aquoso e em concentrações ambientais (100 µg L-1). O nitreto de carbono foi obtido por pirólise da melamina, enquanto o óxido de grafeno reduzido foi obtido a partir do grafite por um método de Hummers modificado e posteriormente reduzido com hidrazina em refluxo após a impregnação em g-C3N4. A impregnação se baseou em auto-montagem por interação eletrostática via tratamento sonoquímico esfoliativo em pH 3,0, em que os materiais apresentam cargas opostas. Inicialmente, três fatores foram estudados para a formação dos compósitos: o teor mássico de óxido de grafite utilizado, o tempo de sonicação da mistura das suspensões dos materiais precursores esfoliados por ultrassom de ponteira e a quantidade de hidrazina utilizada para redução do óxido de grafeno. Para tanto realizou-se um planejamento inicial de dois níveis e três fatores com réplicas em todos os pontos. Após o ajuste de um modelo linear e de se determinar região ótima percorrendo-se o caminho de máxima inclinação, um Planejamento Composto Central foi utilizado para se otimizar a reação. A quantidade de hidrazina empregada não se mostrou estatisticamente significativa nos níveis estudados. As condições ótimas de síntese foram: 16% em massa de GrO, 8,5 min de sonicação da mistura. A hidrazina foi fixada em seu nível baixo (1:4 GrO em massa). A remoção do BPA chegou a aproximadamente 65% após 0,5 h de adsorção no escuro e 1 h de irradiação, utilizando-se 0,05 g L-1 do compósito. O material obtido com as condições ótimas foi aproximadamente 2,7 vezes mais ativo que o obtido com as condições encontradas na literatura. O sistema reacional apresentou baixas fotólise (3%) e adsorção no escuro (22%). Em termos texturais, o material obtido apresenta área superficial específica maior (86 m2 g-1) que a da matriz original de g-C3N4 (26 m2 g-1) sem o tratamento sonoquímico. Para o compósito otimizado, a estrutura lamelar do g-C3N4 foi preservada no compósito conforme os perfis dos difratogramas de pó. A superfície dos precursores e do compósito mostraram-se bastante puras. As análises de DRS mostraram que as propriedades de separação de carga do compósito não diferem muito do bandgap do g-C3N4 puro (2,7 eV). / The objective of this work was the optimization of the synthesis of grafitic carbon ni-tride and reduced graphene oxide composites by Response Surface Metodology for the photodegradation of organic pollutants, using bisphenol A as a model pollutant in aque-ous medium and environmental concentrations (100 µg L-1). Carbon nitride was ob-tained by pyrolysis of melamine, while the reduced graphene oxide was obtained from grafite by a modified Hummers method. The graphene oxide formed was later reduced by hydrazine in reflux after the impregnation in g-C3N4. The synthesis was based on a self-assembly via eletrostatic interaction and exfoliative sonochemical treatment at pH 3.0, condition in which the materials presented opposite charges. Initially three factors were studied for the composites fabrication: the graphite oxide mass content, the sonication period of the precursor mixture, which was exfoliated by a sonotrode and the amount of hydrazine used for reducing graphene oxide. An initial experimental design with two levels and three factors and replicas at all points was carried out. After determining a linear model and finding the optimum region along the path of steepest ascent, a Central Composite Design was performed to optmize the reaction. The amount of hydrazine employed was not statistically significant within the levels studied. The optimum conditions of syhthesis were 16% in mass of graphite oxide and 8.5 min of soni-cation of the mixture. Hydrazine was set at its low level (1:4 to GrO in mass). The BPA removal reached approximately 65% after adsorption (30 min in the dark) and 1 h of irradiation with 0.05 g L-1 composite. The obtained material according to the optimal conditions was approximately 2.7 times more active than the one obtained using the conditions found in the literature. The reaction system presented low photolysis (3%) and adsorption (22%). Texturally speaking, the obtained material had greater specific surface area (86 m2 g-1) than the original g-C3N4 matrix (26 m2 g-1). In textural terms, the g-C3N4 lamelar structure was preserved in the composite according to the powder dif-fractograms profiles. The surface of precursors and composite was quite pure. DRS analyses showed that the charge separation properties of the composite do not signifi-cantly differ from the pure g-C3N4 bandgap (2.7 eV).

À ce jour, l’humanité est confrontée simultanément à une crise énergétique et environnementale due principalement à deux facteurs: la croissance démographique et la dépendance aux combustibles fossiles. C'est pourquoi l'urgence d'utiliser des sources d'énergie renouvelables, comme l'énergie solaire est une, solution potentielle. A ce titre, la production d'H2 décarboné par dissociation solaire de l'eau est une voie prometteuse. Néanmoins, pour atteindre l'objectif mentionné, il faut trouver un système photocatalytique (semi-conducteurs, SCs) idéal, qui nécessite quatre caractéristiques majeures: (1) une bonne capacité d'absorption de la lumière visible (2) des positions adéquates de BV et BC des SCs par rapport aux potentiels d’oxydation de l’eau et de réduction du proton (3) une utilisation efficace des photons absorbés et charges générées et (4) une bonne stabilité dans le temps. À cette fin, cette thèse contribue à la conception et à l’optimisation de trois matériaux innovants: les composites Au/g-C3N4, Au/TiO2 (P25)-gC3N4, et Au/TiO2 (NTs)-gC3N4 dont l’activité photocatalytique a été corrélé avec les propriétés physico-chimiques pour comprendre leurs performances photocatalytiques de production d'H2 sous irradiation solaire et visible. De manière annexe, certains de ces matériaux se sont également montrés performants pour les conversions du CO. Pour mettre en évidence l'efficacité des composites préparés, des études comparatives ont été testées en utilisant des références commerciales, pertinentes et les mélanges physiques correspondant. / To date, mankind is facing an energy and environmental crisis simultaneously due to mainly two factors: growth population and the dependency on fossil fuels. For this reason, the urgency of using renewables sources, e.g., solar energy, is a potential solution. For example, non-carbon based H2 production from solar light driven water photodissociation is a promising approach. Nevertheless, to target the mentioned objective, an ideal photocatalytic system (semiconductors, SCs) has to meet four main features: (1) capacity of absorption of visible-light (2) suitable VB and CB positions of SCs to undergo the two half reactions of water splitting (3) efficient use of absorbed photons and generated charges and (4) good stability over time. For this purpose, this thesis contributes to the design and optimization of three innovative materials: Au/g-C3N4, Au/TiO2 (P25)-gC3N4, and Au/TiO2 (NTs)-gC3N4 composites. Their photocatalytic activities were correlated with their physico-chemical properties. In addition some of these composites also exhibited interesting CO conversion yields. To highlight the efficiency on the as-prepared composites, comparative studies were tested using commercial, pertinent references, and physical mixtures homologs.