Notícias

Jun 29, 2023

Estudo cinético e termodinâmico da degradação piezoelétrica do azul de metileno por nanocompósitos SbSI/Sb2S3 estimulados por esferas de óxido de zircônio

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 15242 (2022) Citar este artigo 1348 Acessos 5 Citações 3 Detalhes de métricas altmétricas Captação de energia mecânica por materiais piezoelétricos para acionar

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 15242 (2022) Citar este artigo

1348 Acessos

5 citações

3 Altmétrico

Detalhes das métricas

A coleta de energia mecânica por materiais piezoelétricos para conduzir reações de catálise recebeu ampla atenção para remediação ambiental. Neste trabalho foram sintetizados nanocompósitos SbSI/Sb2S3 como catalisador. Bolas de ZrO2 foram utilizadas como força mecânica alternativa ao ultrassônico para estimular o piezocatalisador pela primeira vez. A cinética e a termodinâmica da degradação piezoelétrica do azul de metileno (MB) foram estudadas profundamente. Além do efeito do tipo de força mecânica, foram estudados o número de bolas de ZrO2 e a temperatura da reação na eficiência de degradação. Aqui a energia mecânica veio da colisão das bolas de ZrO2 com as partículas do catalisador. O uso de bolas de ZrO2 em vez de vibração ultrassônica aumentou a eficiência de degradação em 47% a 30 ± 5 °C. Um estudo cinético revelou que a degradação piezo do azul de metileno (MB) pelo catalisador SbSI/Sb2S3 seguiu uma cinética de pseudo-segunda ordem. Com base nos resultados termodinâmicos, a degradação piezoelétrica do MB foi uma reação exotérmica.

O desenvolvimento de fontes alternativas de energia limpa e sustentável tem despertado intenso interesse de pesquisa no alívio da poluição ambiental e das crises energéticas. Materiais que podem coletar e converter energia solar ou mecânica têm sido extensivamente pesquisados ​​nos últimos anos como uma nova forma de energia limpa1,2,3,4,5,6,7,8. Os materiais piezo são considerados uma classe interessante de material que pode coletar e converter energia mecânica em energia elétrica ou química9,10,11,12. Neste cenário, quando o material piezoelétrico foi forçado sob deformação aplicada causada pela força mecânica, o potencial piezoelétrico mudará os níveis de energia eletrônica dos estados desocupados ou ocupados dentro dos materiais. Em outras palavras, reduz a banda de condução (CB) do material piezo abaixo do orbital molecular ocupado mais alto (HOMO) da molécula do material piezo. Portanto, os elétrons poderiam ser transferidos dos HOMOs das moléculas para o CB do material piezoelétrico . No passado, os materiais piezoelétricos eram usados ​​principalmente como sensores, transdutores e indústrias eletrônicas18,19,20. Recentemente foi encontrada uma nova aplicação, denominada piezocatálise. Até agora, a divisão antibacteriana e de água foi alcançada por meio de piezocatálise. Mais recentemente, a piezocatálise foi aplicada como agente de tratamento para decompor os poluentes da água, o que é um dos problemas ambientais mais graves para os seres humanos, porque alguns destes poluentes são altamente solúveis e quimicamente estáveis. Vários tipos de materiais foram desenvolvidos para esse fim, como a wurtzita 1D e 2D ZnO e o BaTiO321,22. Por exemplo, em 2019, Qian et al. relataram a decomposição de ~ 94% do corante rodamina B (RhB) usando titanato de bário (BaTiO3, BTO) – composto de polidimetilsiloxano . Mais tarde, em 2020, Raju et al. aplicou compósito Fluoreto de Polivinilideno/Nanocubo de ZnSnO3/Co3O4 para tratar RhB e azul de metileno (MB)24. Xu e seu colega de trabalho degradaram mais de 97% do RhB usando Bi0.5Na0.5TiO3@TiO2 Composite25.

O emprego da piezocatálise para remediação ambiental apresenta vantagens em comparação com outros métodos como fotocatálise26, adsorvente27 e processo Fenton28. Por exemplo, a fotocatálise só funciona sob luz. Além disso, semicondutores de banda larga são necessários para evitar a recombinação de cargas portadoras. O uso de um catalisador de banda larga requer fótons de alta energia, e o material geralmente é mais caro .

Recentemente vários artigos publicaram o mecanismo por trás da degradação de poluentes por materiais piezoelétricos. Por exemplo, aplicamos nanoestruturas de PbTiO3 para tratar o vermelho ácido 143 e o violeta ácido em água. Estudamos o possível mecanismo usando sequestradores de radicais e sugerimos que os radicais livres são responsáveis ​​pela degradação de poluentes orgânicos35. Mais tarde, em 2021, Lin et al. relataram o uso de nanocubos de BaTiO3 como catalisadores piezoelétricos para tratar poluentes orgânicos e sugeriram o mesmo mecanismo . Embora vários grupos tenham tentado estudar o possível mecanismo por trás disso, a cinética de degradação de poluentes orgânicos por material piezoelétrico raramente é estudada. Por exemplo, Lei et al estudaram a cinética por trás da degradação piezocatalítica de diclorofenóis usando nitreto de carbono grafítico bidimensional. Eles relataram que a degradação dos diclorofenóis é uma cinética de pseudo-primeira ordem37. No entanto, a termodinâmica, o efeito da temperatura e a quantidade de força aplicada na cinética da degradação piezocatalítica do poluente ainda não foram discutidos. Além de relatos anteriores utilizaram atuação ultrassônica como fonte de força mecânica, enquanto utilizamos esferas de zircônia para fornecer forças mecânicas. Aqui preparamos catalisador piezo por sonoquímica e método hidrotérmico. Em seguida, estudamos a cinética relacionada em temperaturas variadas de 293 K, 303 K e 313 K, e sob diferentes forças mecânicas. Finalmente, estudamos a termodinâmica por trás da degradação.