Titanatos nanoestruturados (TNS) obtidos pelo tratamento hidrotérmico de TiO2 são semicondutores muito estudados por suas propriedades de alta área superficial e capacidade de troca iônica. No entanto, sua estrutura cristalina e a influência das condições de síntese e pós-tratamento ainda são motivos de controvérsia. Neste estudo, TNSs foram produzidos em diversas condições e submetidos a diferentes tipos de tratamento ácido e térmico. Os materiais foram caracterizados por difratometria de raios X (DRX), espectroscopias vibracionais (Raman e FTIR), espectroscopia de refletância difusa (DRS), análise térmica (TG, DTG e DSC), análise textural por adsorção de N2 a 77 K, análise química por ICP-OES, e microscopia eletrônica de transmissão. Acompanhando a transformação hidrotérmica de TiO2 (anatase) nanocristalino obtido em laboratório com o tempo, observou-se que os nanocristais de TiO2 se transformam em estruturas lamelares com formato de folhas entre 3h e 12h. As nanofolhas se enrolam parcial ou totalmente formando nanotubos. A transformação da morfologia é acompanhada por uma transformação de fase de anatase para uma fase titanato lamelar, que se completa entre 12h e 24h. Utilizando TiO2 P25 como precursor, observou-se que as amostras obtidas apresentam alto teor de Na+, que é progressivamente eliminado por lavagens do sólido com H2O ou solução ácida. Quanto menor o pH de equilíbrio da suspensão, menor foi o teor de Na+ até o limite de pH 2, em que esse cátion foi praticamente eliminado. A diminuição do teor de sódio foi acompanhada de aumento da área superficial (BET, 155 e 205 m2.g-1 para pH 9 e 2, respectivamente); aumento do espaço interlamelar; diminuição da cristalinidade; e diminuição do bandgap (3,60 e 3,45 para pH 9 e 2, respectivamente). Em pH 1,5, ocorreu ainda maior aumento do espaço interlamelar e da área superficial (368 m2.g-1) indicando que a troca iônica de Na+ por H3O+ não é unicamente responsável pelas transformações estruturais que ocorrem durante a neutralização de TNSs. A desidratação em baixa temperatura (até 150 °C) sofrida por TNSs acidificados é irreversível, levando à diminuição do espaço interlamelar, e formação de vacâncias de oxigênio responsáveis pela absorção de radiação acima de 420 nm (visível). A transformação de fase de titanato para anatase ocorreu à temperatura ambiente quando a neutralização foi feita com HF; entre 300 e 400 °C quando feita com HCl, HNO3, H2SO4 ou ácido acético; e acima de 600 °C quando usado H3PO4. Foi possível inserir diferentes quantidades de prata em TNS através da suspensão dos sólidos em solução de AgNO3. A reação levou à formação de nanopartículas cristalinas de 3 a 5 nm, contendo prata, na superfície das partículas de TNS. Ag+ foi reduzido a Ag0 pelo tratamento térmico das amostras a 250 °C em presença de H2(g). Essas amostras apresentaram absorção de radiação em todo o espectro visível e menor bandgap (3,06 em amostra contendo 3% de Ag, em massa). Em amostras com pouca quantidade de prata (menos de 0,05% em massa), foram observadas bandas largas de absorção (DRS) de ressonância de plasmon de superfície quando calcinadas a 250 °C em H2(g). / Titanate nanostructures (TNS) obtained by the hydrothermal treatment of TiO2 are extensively studied due to their high surface area and ion-exchange ability. However, their crystal structure and influence of synthesis and post-treatment conditions are still under debate. In this study, TNSs were produced under different synthetic conditions and underwent different types of acid and thermal treatments. The materials were characterized by means of X-ray diffractometry (XRD), vibrational spectroscopy (Raman and FTIR), diffuse reflectance spectroscopy (DRS), thermal analysis (TG, DTG and DSC), textural analysis by N2 adsorption at 77 K, chemical analysis by ICP-OES, and transmission electron microscopy (TEM). Following the hydrothermal transformation of homemade crystalline TiO2 (anatase) with time, we observed that TiO2 nanocrystals change into lamellar sheet-like structures between 3h and 12h. The nanosheets roll up partial or totally, thus forming nanotubes. The morphological transformation is accompanied by a phase transformation from anatase to lamellar titanate, which is completed between 12h and 24h. Using TiO2 P25 as precursor, we observed that as-obtained samples have a high Na+ content, which is progressively removed by washing the solids with H2O or acidic solution. The smaller the suspensions equilibrium pH, the smaller the Na+ content to the limit of pH 2, when the removal of this cation was complete. The decrease in sodium content was followed by an increase in the surface area (BET, 155 and 205 m2.g-1 at pH 9 and 2, respectively); an increase in the interlamellar distance; a decrease in crystallinity; and a decrease in bandgap energy (from 3.60 eV at pH 9 to 3.45 eV at pH 7). After treating at pH 1.5, the interlamellar distance and the surface area (368 m2.g-1) increased further, suggesting that the Na+ to H3O+ ion-exchange is not the only factor in the structural transformations that take place during the acid treatment of TNSs. Acidic TNSs undergo an irreversible dehydration process at low temperature (150 °C). It leads to the decrease of the interlamellar distance and to the formation of oxygen vacancies responsible for the absorption of radiation in the visible range (> 420 nm). The phase transformation of the titanate phase to TiO2 anatase took place at room temperature when the TNS was treated with HF; between 300 and 400 °C for samples neutralized with HCl, HNO3, H2SO4 or acetic acid; and over 600 °C when H3PO4 was used. It was possible to insert different amounts of silver by the immersion of the solids in AgNO3 solution, leading to the formation of nanocrystalline-silver-containing nanoparticles (3 to 5 nm) on the surface of the TNS particles. Ag+ was reduced to Ag0 by heat treating the samples at 250 °C in presence of H2(g). These materials showed absorption of radiation in entire visible spectrum and narrowed bandgap energy (3,06 eV for sample with 3wt% of Ag). Samples containing low amounts of Ag (less than 0,05 wt%) showed a wide surface plasmon resonance band (DRS) when calcined at 250 °C under H2(g).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-12042018-105218 |
| Date | 09 November 2017 |
| Creators | Leite, Marina Moraes |
| Contributors | Vichi, Flavio Maron |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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