Heterojunção de Óxido Metálico para Atividades Fotocatalíticas

O desenvolvimento de uma heterojunção aumenta as atividades fotocatalíticas da síntese de combustão da solução, que é um processo eficiente em termos de tempo / energia. Técnicas avançadas de caracterização analítica foram utilizadas neste protocolo para avaliar as características dos materiais, e os nanocompósitos demonstraram melhor degradação do corante ácido laranja-8.

Há uma demanda global significativa por melhorias nas técnicas de síntese e suas características ideais, especialmente para aplicações em escala industrial. A síntese de combustão de solução à base de Sol-gel (SG-SCS) é um método simples para produzir materiais porosos ordenados. A este respeito, a teoria dos ácidos e bases duras e moles de Pearson auxilia na seleção da reatividade hospedeiro-dopante para formar uma heterojunção adequada.

A formação de uma heterojunção também altera as propriedades essenciais dos materiais, melhorando a fotocatálise por transferência de carga ou atividades sinérgicas. Uma temperatura de calcinação de 500 °C é ideal para este processo com base nos resultados da avaliação da estabilidade por meio de uma análise diferencial da razão de termogravimetria (DTG).

As dimensões em nanoescala das nanopartículas (NPs) e nanocompósitos (NCs) geradas foram validadas usando difração de raios X e microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM). Além disso, as micrografias de microscopia eletrônica de varredura e as análises de BET confirmaram a natureza porosa dos materiais. HRTEM, espectroscopia de fotoelétrons de raios-X e investigações de raios-X por dispersão de energia estabeleceram a composição dos materiais. O estudo descobriu que os NCs degradaram a cor laranja ácida 8 (AO8) com mais eficiência do que o ZnO puro.

A proteção ambiental tornou-se uma grande preocupação com o rápido aumento de empresas em todo o mundo. Consequentemente, os nanomateriais (NMs) baseados em nanotecnologia e sua síntese atraíram a atenção dos pesquisadores sobre os materiais a granel no mundo científico moderno¹. Várias abordagens físico-químicas têm sido adaptadas para tratar contaminantes orgânicos e inorgânicos ^2,3. Nesse sentido, devido à sua simplicidade e capacidade de dissolver toxinas sem criar contaminação secundária, a fotocatálise heterogênea é considerada uma técnica de remediação adaptativa⁴. Estudos projetaram uma heterojunção ou dopagem entre semicondutores bandgap adequados, o que ajuda a reduzir a recombinação, a área de superfície e o volume do elétron-buraco do constituinte. Essa condição subsequentemente aumentou a degradação fotocatalítica dos corantes ^5,6,7. Trabalhos recentes também relataram um papel sinérgico e de melhoria da transferência de carregador por meio de heterojunções / híbridos ^8,9, e óxidos metálicos semicondutores demonstram propriedades físicas e químicas únicas para aplicações multifuncionais¹⁰. Como resultado, as NPs de TiO₂ e óxido de zinco (NPs de ZnO) têm recebido atenção significativa^11,12 entre os pesquisadores.

Em comparação com materiais únicos, a formação de uma heterojunção tornou-se uma das preferências exclusivas para aumentar a área de superfície e a proporção de volume dos materiais e melhorar o desempenho fotocatalítico e antibacteriano de um material. Além disso, o impacto sinérgico das heterojunções binárias melhora a separação dos pares elétron/buraco fotogerados em comparação com as heterojunções binárias^13,14. Estudos mostraram que uma heterojunção entre Mn₂O₃ e ZnO^{NPs 15} melhora a estabilidade e a capacidade de adsorção do substrato e reduz a resistência à transferência de carga em NPs sintetizadas. Além disso, vários estudos usaram a reatividade hospedeiro-dopante com base na teoria de ácidos e bases duras e moles (HSAB) de Pearson para testar a heterojunção ou a formação de dopantes. Verificou-se que os ácidos duros de Lewis (como Mn (III)) não podem se difundir na fronteira da rede hospedeira Zn (II) na presença de um solvente de base dura como a água^{16 , 17} . Eles são adsorvidos na superfície do hospedeiro e oxidados para formar um híbrido após calcinação.

Devido ao seu potencial, o foco global atual para aplicações industrialmente escaláveis de síntese de materiais está em melhorar a abordagem e suas perspectivas críticas¹³. A síntese de combustão em solução (SCS) é um método simples, eficiente em termos de tempo / energia para criar materiais porosos regularmente ordenados¹⁸, que desempenham um papel significativo no fenômeno de transporte de íons / massa¹⁹. O SCS compreende uma distribuição ou heterojunção dopante-hospedeiro decente com base na teoria de ácidos e bases duras e moles (HSAB) de Pearson. A dopagem/heterojunção pode ajustar as propriedades ópticas, magnéticas e elétricas dos materiais, aumentando subsequentemente a aplicação de materiais por meio de transferência de carga eficaz e/ou papéis sinérgicos²⁰. O SCS assistido por agente direcionador de arquitetura (ADA) também pode produzir estruturas de nanocristais coloidais ordenados (CNFs) usados para transporte de massa / íons em dispositivos de conversão de energia^21,22.

Este estudo produziu um surfactante de álcool polivinílico (PVA) e agente complexante para sintetizar NPs de ZnO e heterojunção de nanocompósitos binários (NCs) à base de ZnO por meio de uma abordagem SG-SCS ecologicamente correta. A heterojunção entre os óxidos, que desempenha um papel vital na transferência de carga, foi estimada com base na teoria HSAB. Técnicas de caracterização foram utilizadas para entender as propriedades estruturais, ópticas e morfológicas dos materiais. A eficiência de degradação do material foi testada em corantes AO8 estáveis e tóxicos.

1. Síntese de nanomateriais

1. Síntese de nanocompósitos ZnO-Mn₂O₃
   1. Sintetizar nanocompósitos usando álcool polivinílico como surfactante e uma abordagem SG-SCS assistida por agente complexante. Para uma ilustração gráfica da abordagem SG-SCS, consulte a Figura Suplementar S1.
   2. Dissolver 1,5 g de polímero PVA em 100 ml de água destilada com agitação contínua num agitador magnético durante cerca de 15 min a 115 °C²³.
   3. Despeje as soluções precursoras de sal, nitrato de zinco hexahidratado na concentração de 90% v / v e sulfato de manganês na concentração de 10% v / v na solução de PVA dissolvida acima com agitação contínua por cerca de 10 min e diminua a temperatura para 70 ° C.
      NOTA: Os precursores de sal foram misturados simultaneamente para equilibrar a reatividade do precursor do nanocompósito para seguir a abordagem de dopagem por nucleação^16,24. A temperatura foi reduzida para 70 °C para controlar o crescimento acelerado e a agregação das nanopartículas, seguindo o modelo La Mar^25,26.
   4. Envelheça o sol (partículas coloidais) desenvolvido do hidróxido metálico, mantendo-o em uma área fechada e escura por 2 dias. Em seguida, desidrate a solução aquecendo a 110 °C (no ar) para formar um gel.
      NOTA: O polímero PVA atua como uma arquitetura, direcionando moldes e agentes complexantes, que auxiliam na dispersão homogênea de cátions metálicos, iniciando o processo de combustão e impedindo propriedades de agregação/aglomeração.
   5. Sujeitar o gel à combustão ao ar aquecendo o forno a uma temperatura de ignição de ~150-250 °C (temperatura aproximada verificada com um termómetro simples). A temperatura de ignição é a temperatura mínima necessária para iniciar a combustão. Durante a combustão, use capuzes para coletar todos os subprodutos de gases tóxicos que afetam a saúde humana.
      NOTA: O processo de combustão foi ativado pela formação de complexos entre polímero PVA e precursores de nitrato, que atuam como combustível para facilitar o processo de combustão.
   6. Calcinar os materiais queimados por 3 h a 500 °C em mufla, otimizado usando a técnica analítica de termogravimetria diferencial (DTG). O DTG decompõe as impurezas não queimadas e melhora a cristalinidade dos materiais²⁷.
2. Síntese de NPs de ZnO e Mn₂O₃ nuas
   1. Sintetize óxidos de metal nu usando a abordagem sol-gel. Sintetize ZnO e Mn₂O₃ sem PVA usando todas as etapas mencionadas anteriormente, etapas 1.1.1.-1.1.6., exceto a etapa 1.1.2. Devido à ausência dos complexos de nitrato metálico e polímero de PVA, nenhum processo de autopropagação ocorre durante a etapa final de secagem.

2. Caracterização do NP

1. Determinar a razão termogravimetria, especificamente a termogravimétrica térmica/térmica diferencial (análise DT/DTA), em uma atmosfera de nitrogênio a uma vazão de 20,0 mL/min e um tempo de rampa de 50 °C/min para estudar a estabilidade térmica e o comportamento de degradação dos NPs e NCs.
2. Realize a espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) usando pastilhas KBr na faixa de 400-4000 cm⁻¹ para estudar o comportamento do grupo funcional de superfície de NPs e NCs.
3. Realize a difração de raios X (XRD) para estudar a estrutura cristalográfica de PVA, NPs e NCs.
4. Use o comando Brunauer-Emmett-Teller (BET; N₂ isotermas de adsorção-dessorção) para calcular a área superficial específica das amostras na faixa de pressão relativa (P /_{P o}) de 0,05-0,35. Determine as distribuições de tamanho de poro das amostras usando o método Barrett-Joyner-Halenda (BJH). Por fim, meça a sorção de N₂ de todos os NPs e NCs a -196,15 ° C.
5. Use microscopia eletrônica de varredura com espectroscopia de raios-X por dispersão de energia (SEM-EDX) e microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) para estudar as morfologias e realizar estudos de composição dos NPs e NCs.
6. Realize uma análise de espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) em um sistema integrado a uma lente de imersão magnética patenteada Kratos, sistema de neutralização de carga e analisador de espelho esférico. Calibre as energias de pico com base na energia do carbono externo.
   NOTA: O pesquisador adotou todos os procedimentos e protocolos padrão durante o processo de caracterização.

3. Estudos de degradação de lotes

1. Realize o experimento fotocatalítico dissolvendo 20 ppm de corante AO8 em 250 mL de solução aquosa (solvente aquoso) com 0,06 g de fotocatalisadores de ZnO NPs e NCs.
2. Use o experimento de degradação como condutor em um reator de vidro circular de 176,6 cm² . Para este experimento, use uma lâmpada de vapor de mercúrio de média pressão (lâmpada Hg) como fonte de luz (λ_max = 365 nm, 125 W) ²⁸ . Antes da iluminação, mexa a suspensão de reação continuamente no escuro por 30 min para criar o equilíbrio de adsorção/dessorção de AO8/CR nos NPs/NCs.
3. Irradiar as amostras diretamente focalizando a luz na mistura de reação a uma distância de 20 cm. Use um agitador magnético a 110 rpm para misturar continuamente a solução. Controle a temperatura do reator geral durante o experimento usando a circulação de água.
4. Retire 5 mL da solução de corante a cada 15 minutos para medir suas concentrações no tempo t por espectrofotômetro UV-vis. Calcular a percentagem de eficiência de degradação fotocatalítica utilizando a equação:
   
   onde C_o e C_t são as concentrações iniciais e posteriores à irradiação t , respectivamente, da solução dos corantes AO8 e CR; e η é a eficiência da descoloração da foto,
5. Use a equação cinética de pseudo-primeira ordem para estudar a dinâmica da reação:
   Pseudo cinética de primeira ordem:
   onde C_o e C_t são as concentrações inicial e de equilíbrio do corante AO8 (mg/L), respectivamente, k é a constante de taxa e t é o tempo em minutos.

A Figura 1A mostra as estabilidades térmicas de NCs binários antes que um instrumento DTG analise a calcinação na atmosfera de N₂. Uma sequência de vaporização de moléculas de H₂O adsorvidas, decaimento intramolecular, hidróxidos metálicos ou / e decomposição da cadeia lateral de PVA, decomposição da cadeia principal intermolecular / PVA e, finalmente, a parte cristalina ocorreu para dar carbono, hidrocarbonetos e cinzas^29,30.

Os NCs apresentaram perda de estabilidade acima de 720 °C. Os ângulos de difração do padrão XRD com seus planos cristalinos correspondentes foram compatíveis com a estrutura hexagonal dos NPs de ZnO (ICSD: 00-036-1451; Figura 1B). As NPs de ZnO exibiram picos acentuados em relação aos compósitos, indicando as propriedades menos cristalinas das NCs³¹. As estruturas cristalinas de ZnO (Figura 1C) e Mn₂O₃ (Figura 1C) foram formadas usando o software de programa de imagem 3D VESTA.

Os tamanhos médios aproximados dos cristalitos foram então calculados usando a fórmula de Debye-Scherrer:

D = Kλ/(β cos θ)

onde λ é o comprimento de onda da radiação de raios-X (para radiação Kα, λ = 0,15418 nm), K é a constante, β é a largura da linha na meia altura máxima e θ é o ângulo de difração³². Os tamanhos aproximados para NPs e NCs de ZnO são 59 nm e 23 nm, respectivamente.

A ausência de desvios de pico para NCs em relação ao ZnO indica a formação de apenas heterojunções locais entre óxidos, cumprindo a teoria HSAB de Pearson 16,17,33. Os picos de DRX de PVA também não foram observados nos padrões de DRX de ZnO e NCs. Isso mostrou uma decomposição completa do PVA a 500 ° C, conforme validado na análise DTG.

Entre os modelos básicos de forma de poros, os gráficos BET de NPs e NCs de ZnO pareciam ter formas cilíndricas ( Figura 2B ) ³⁴ . Entre os seis tipos de isotermas de adsorção e quatro tipos de alças de histerese da classificação IUPAC, NPs e NCs foram pareados com a isoterma de adsorção tipo IV e alça de histerese H3³⁵. O aumento acentuado na pressão relativa de 0,8 P / P₀ mostra a co-ocorrência de distribuições de tamanho de poros mesoporosos e macroporosos³⁶.

Os gráficos de distribuição do tamanho dos poros de Barrett-Joyner-Halenda (BJH) mostram a dominância da distribuição do tamanho dos poros mesoporosos (Figura 2 inserção)³⁴. As bandas de absorção dos espectros FTIR para NPs e NCs de ZnO em ~ 3650 cm⁻¹ e ~ 1650 cm⁻¹ podem ser atribuídas às vibrações de grupos hidroxila e moléculas de água, respectivamente (Figura 2B). As características morfológicas, composicionais e estruturais dos NPs e NCs possivelmente influenciam o número e a posição dos picos. Acredita-se que a modificação morfológica da dimensão esférica para partículas unidimensionais, bidimensionais ou tridimensionais cause largura e divisão das bandas^37,38. Para NPs de ZnO, os picos de absorção foram divididos em duas partes, enquanto para os NCs, apenas um pico foi observado a 450 cm⁻¹. A mudança do número de onda depende da força e fraqueza da ligação metal-oxigênio³⁹. A mudança de pico para menor número de onda/frequência para NCs (3560 cm⁻¹) em comparação com ZnO (3655 cm⁻¹) corrobora o enfraquecimento da ligação metal-oxigênio devido à introdução do Mn₂O₃ fase⁴⁰. O aparecimento de outros picos pode ser devido às impurezas transitórias produzidas durante a síntese ⁴¹.

A Figura 3A,B mostra as imagens SEM de materiais ZnO e NC. As imagens de MEV revelaram uma porosidade maior para NCs do que para ZnO. Este resultado está de acordo com a interpretação BET. Quanto mais porosos os materiais, maiores os defeitos de superfície/locais ativos, a transferência de carga e a eficiência de absorção de luz visível. Além disso, a análise composicional pela técnica EDX verificou a realidade das composições elementares previsíveis de Zn, Mn e O (Figura 3C), com a observação dos respectivos picos principais em 1 keV, 0,5 keV e 0,45 keV. Os elementos C e S foram detectados como impurezas.

O espectro XPS de ZnO NPs e NCs (Figura Suplementar S1) confirmou a existência dos estados químicos de Zn 2p, Mn 2p, O 1s e C 1s. A região orbital Mn 2p de alta resolução nos NCs corrobora que os estados químicos de Mn 2 p_3/2 e Mn 2 p_1/2 estão presentes nas energias de ligação de 641,1 eV e 653,2 eV, respectivamente⁴². A energia de divisão aproximada de 12,1 eV entre Mn 2p_3/2 e Mn 2p_1/2 representa um valor típico para Mn³⁺⁴³. Por fim, a energia de ligação do Zn 2p nos NCs (1022,7 eV) mostra uma mudança positiva em comparação com a do ZnO puro (1022,0 eV). Essa mudança se deve à transferência de elétrons do nível de Fermi de ZnO para o nível de Fermi de Fe₂O₃ ou / e Mn₂O₃ 44,45,46. 

As imagens TEM (Figura 3D) indicam que os tamanhos dos NCs sintetizados estavam na faixa nanométrica (~ 20 - 50 nm), consistente com a análise de XRD. As imagens TEM também visualizam a presença de cristalitos gêmeos (dois cristalitos de tamanhos diferentes) separados por um limite conhecido como anexo orientado⁴⁷. Essa fixação permite que as partículas compartilhem uma orientação cristalográfica comum ^47,48 e auxilia na ocorrência de capacidade de transferência contínua de carga⁴⁹. Os pontos de difração presentes exatamente no anel SAED indicam a cristalinidade das NPs de ZnO. As manchas fora do anel representam a presença de Mn₂O₃ (Figura 3E)⁵⁰.

Os valores de espaçamento interplanar medidos do SAED para NCs estão em conformidade com a estrutura hexagonal de Wurtzita ZnO (inserção da Figura 3E). O valor do espaçamento d de 0,34 nm da imagem HRTEM corresponde aos 221 planos de α-Mn₂O₃ (Figura 3F) ^{51 , 52} _. As falhas de empilhamento detectadas na imagem IFFT do HRTEM revelaram as propriedades porosas dos NCs (imagens IFFT da Figura 3E inseridas). Por outro lado, a franja reticulado para ZnO não foi observada para NCs. Isso possivelmente se deve à seleção aleatória do cristalito durante a resolução.

A Figura 4A,B mostra as atividades de fotodegradação de NPs e NCs de ZnO para degradar AO8. Uma pequena porcentagem de adsorção ocorreu no escuro durante o equilíbrio adsorção/dessorção. Tanto o ZnO quanto os NCs mostraram boas atividades fotocatalíticas no corante AO8.

Os dados dependentes do tempo (C_t/C_o vs. t e log (C_t/C_o) vs. t) são fornecidos na Figura 4C e na inserção, respectivamente. Os valores da constante de taxa, k, para ZnO e ZnO-Mn₂O₃ NCs obtidos foram deduzidos em 0,0058 min⁻¹ e 0,0087 min⁻¹, respectivamente. As boas atividades fotocatalíticas das NPs de ZnO estão associadas a alguns defeitos (vacância) que impedem a recombinação e⁻/h⁺ . Os potenciais redox para óxidos de zinco e manganês antes e depois da heterojunção são mostrados na Figura 4D (esquerda).

O estudo observou que os bandgaps de Mn₂O₃ (nível de Fermi próximo ao VB) e ZnO (nível de Fermi próximo ao CB) se movem para cima e para baixo, respectivamente para atingir sua estabilidade no nível de Fermi e, finalmente, atingir o equilíbrio, como visto na Figura 4C (direita). A atividade fotocatalítica de NCs binários no corante AO8 é provavelmente devido à formação de um alinhamento de banda de lacuna quebrada adequado (tipo III). Além disso, o tipo de heterojunção de lacuna quebrada transfere os elétrons do potencial CB mais negativo do ZnO para o potencial VB mais negativo de Mn₂O₃^53,54. Consequentemente, a separação e⁻ e h⁺ foi aumentada para aumentar a eficiência de degradação⁵⁵.

Embora a posição da borda da banda dependa da carga da superfície, os óxidos metálicos semicondutores têm energia típica de bandgap, que absorve uma frequência específica de luz⁵⁶. Para os semicondutores, ter mais potencial de redução CB negativo do que H⁺/H₂ e mais VB positivo do que o potencial de redução de O₂/H₂O é crucial para a degradação de poluentes⁵⁷. A presença de uma boa propriedade de transferência de carga mostra a formação de heterojunções / contato local entre óxidos metálicos, o que tem uma influência notável na diminuição da recombinação e⁻/h⁺. Os resultados do estudo e as revisões sugerem um possível mecanismo de degradação proposto das NCs após a heterojunção^33,46, conforme mostrado na Figura 4D.

Figura 1. Análise de estabilidade de materiais. (A) Parcelas de TGA/DTA de PVA-ZnO/Mn₂O₃ antes da calcinação. (B) Padrões de XRD de PVA, ZnO, PVA-ZnO/Mn₂O₃ e Mn₂O₃; as estruturas cristalinas de (C) ZnO e (D) Mn₂O₃ criadas usando o software de programa de imagem 3D VESTA (vermelho é para átomo de O) calcinadas a 500 ° C. Este número foi modificado de²⁸. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2. Análise de propriedades texturais e ligações químicas. (A) Os gráficos BET de ZnO, Mn₂O₃ e PVA-ZnO/Mn₂O₃ calcinados a 500 °C. A figura inserida mostra os gráficos BJH. (B) Espectros FT-IR de amostras de ZnO NPs e PVA-ZnO/Mn₂O₃ calcinadas a 500 °C. Este número foi modificado de²⁸. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. Análise morfológica. Imagem SEM dos espectros (A) ZnO e (B) ZnO/Mn₂O₃, (C) EDXS calcinados a 500 °C. A inserção em C é o peso elementar % e o resultado atômico %. (D) TEM, (E) SAED e (F) imagens HRTEM calcinadas a 500 °C. A inserção em E é o padrão XRD; a inserção em F são as franjas de treliça ampliadas (1) e o padrão IFFT (2). Este número foi modificado de²⁸. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4. Atividades fotocatalíticas de ZnO NPs e ZnO-Mn₂O₃ NCs (A, B) Absorbância vs. gráficos de comprimento de onda de ZnO e ZnO/Mn₂O₃, respectivamente. (C) O gráfico de dados de cinética dependente do tempo C_t/_{C o} vs. t e log (C_t/C_o) vs. t. t. (D) Um tipo de lacuna quebrada de um possível mecanismo proposto (esquerda, antes da heterojunção e direita, após a heterojunção). Este número foi modificado de²⁸. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura Suplementar S1. O diagrama esquemático ilustra a síntese de combustão de solução assistida por agente de direção de arquitetura que produz um material poroso em nanoescala ativo de transporte de massa / íons nobre. (A) solução precursora; (B) o gel formado após desidratação a 110 °C; (C) explosão de subproduto gasoso em aquecimento adicional até a temperatura de ignição; (D) o subproduto poroso estável produzido por calcinação a 500 °C. Este valor foi modificado de²⁸. Clique aqui para baixar este arquivo.

O presente protocolo descreve a síntese de nanocristais usando uma estratégia de baixo para cima com forma, tamanho e estrutura precisos. O estudo observou que a nucleação e o crescimento dos nanocristais eram significativos antes de formar os nanocristais. Aqui, os óxidos de ZnO e manganês foram sintetizados com base na teoria dos grupos de LaMer²⁵, que postula o processo de formação de nanocristais após a redução de precursores em átomos e núcleos, levando à formação de sementes para produzir nanocristais. A este respeito, a forma e o tamanho gerais dos nanocristais dependem do crescimento das sementes, das propriedades das sementes e da reativação dos surfactantes/agente de cobertura. O álcool polivinílico pode atuar como agente redutor e capeador/estabilizador^58,59. Enquanto isso, ao contrário da abordagem convencional SG-SCS, que usa combustível como oxidante, apenas o polímero PVA foi usado como agente complexante e de capeamento sem usar nenhum combustível. Nesse caso, a água foi usada como solvente, o que não é comum, pois outros estudos usaram solventes tóxicos, cancerígenos e mutagênicos.

Este estudo modificou a reatividade do zinco e do manganês com base na teoria dos ácidos e bases duras e moles (HSAB)^16,24. O dopante de sulfato de manganês, menos reativo e solúvel, foi usado para formar uma heterojunção local com o precursor de nitrato de zinco mais reativo. Iniciou-se a nucleação do zinco, e os átomos de manganês foram difundidos e fixados aos locais de superfície adequados (degraus e dobras)²⁶.

Os redutores, oxidantes de sal neutros/à base de cloreto ou oxidantes/nitratos, podem ser usados como SG-SCS. Como informação, os precursores à base de redutor e neutro/cloro precisam de oxidantes adicionais e liberam HCl, resultando na contaminação dos produtos finais. Em geral, o precursor de nitrato é o melhor oxidante, com propriedades cruciais como potencial oxidante adequado e temperatura de decomposição estável, que auxiliam na formação do produto puro⁶⁰ e solubilidade nobre⁶¹. O precursor de sulfato usado para controlar a reatividade neste trabalho produziu impurezas que requerem uma alta temperatura de decomposição (ver a análise EDX, Figura 3C). Como o sal de nitrato tem um potencial oxidante e de formação complexa adequado⁶¹, sugere-se que o precursor de nitrato e outras condições sejam usadas para equilibrar a reatividade hospedeiro-dopante no lugar do sal de superfície.

O SG-SCS neste estudo seguiu uma sequência de etapas, incluindo a formação coloidal/sol, desidratação (formação de gel) e reação de combustão autossustentada ^1,62. Isso resultou na evolução de gases que melhoram as propriedades de porosidade / textura do produto⁶³ e, finalmente, na extinção da reação pela evolução dos gases (ver Figura 1 suplementar). Durante o processo SG-SCS, os processos de combustão podem formar uma estrutura esponjosa / semelhante a espuma por combustão em muitos pontos ou uma estrutura de arame longo por combustão em um ponto / ponto. Além disso, a calcinação dos materiais queimados auxilia na decomposição das impurezas não queimadas e melhora a cristalinidade dos materiais²⁷.

Este estudo apresentou a abordagem de síntese de combustão em solução (SCS) como uma nova metodologia eficiente em termos de tempo e energia para produzir nanomateriais altamente estáveis e porosos que podem ser aplicados de forma eficaz em um ambiente industrialmente escalável. Os procedimentos SG-SCS sintetizaram com sucesso os NCs binários porosos baseados em ZnO. O estudo observou que o método sol-gel melhorou o SAS para os NCs sintetizados. A porosidade das NCs foi verificada por meio da imagem de MEV, anel SAED e análise de BET, enquanto a temperatura de degradação otimizada de PVA para NCs foi identificada como 500 °C a partir da análise DTG. A análise de imagem XRD e TEM confirmou que os tamanhos de cristalito dos NPs e NCs estavam no nível nano. As análises EDX, XPS e HRTEM foram aplicadas para a investigação composicional e de realidade. Em última análise, os NCs binários mostraram boa degradação do corante AO8, provando sua eficiência. Em geral, qualquer material pode ser sintetizado razoavelmente abordando as desvantagens mencionadas, e o SCS pode fornecer um método menos dispendioso, sem esforço e eficiente em termos de tempo/energia para alimentar dispositivos de energia no futuro.

Os autores não têm nada a divulgar.

Gostaríamos de agradecer à Adama Science and Technology University por seu apoio neste trabalho. O financiamento foi fornecido pelo número do Projeto de Apoio aos Pesquisadores da Universidade de Taif (TURSP-2020/44), Universidade de Taif, Taif, Arábia Saudita.