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Nanoarquitecturas com propriedades fotocatalíticas e antibacterianas para o desenho de produtos amigos do ambiente
Carlos TavaresCentro de Física da Universidade do Minho
ctavares@fisica.uminho.ptwww.fisica.uminho.pt/grf
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Introdução
Nos últimos anos tem havido um interesse crescente na área dos semicondutores fotoquímicos, relacionado com desenvolvimento de materiais fotocatalíticos, em particular em indústrias com tratamento de águas residuais, com benefício para o meio ambiente e saúde.
Os revestimentos através de filmes finos nanocristalinos de titânia (TiO2 - dióxido de titânio) são indicados como
revestimentos fotoactivos, devido à capacidade intrínseca fotocatalítica de remover poluentes orgânicos dissolvidos numa determinada superfície por acção directa dos raios ultravioletas (UV) do nosso espectro solar.
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Objectivos do Projecto INL - Laboratório Internacional Ibérico de Nanotecnologia
Este projecto visa a a preparação de nanopartículas funcionais e filmes finos nanocristalinos mecanicamente robustos com uma eficiência fotocatalítica elevada.
A sua aplicação será testada na produção industrial de azulejos/tijoleira cerâmica com o objectivo de integrar propriedades fotocatalíticas e antibacterianas no desenho de um produto amigo do ambiente.
Alguns produtos orgânicos utilizados em aplicações comerciais são potencialmente cancerígenos e mutagénicos, tendo sido referidos como substâncias prioritárias nas mais recentes Directivas Comunitárias relacionadas com qualidade de ar de espaços interiores e no tratamento de efluentes industriais.
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Equipa Luso-Espanhola
Laboratório de Catálise de Materais (LCM), Faculdade de
Engenharia da Universidade do Porto
Consejo Superior de Investigaciones Científicas - Instituto
de Carboquímica (CSIC-IC), Saragoça
Centro de Física da Universidade do Minho
Universidade de A Coruña (UDC), Corunha
Poceram, Produtos Cerâmicos SA, Coimbra
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Mecanismo da fotocatálise
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Aplicações na indústria
www.nanobest.co.kr
Pilkington
7
Aplicações na indústria
8
Aplicações na Engenharia Civil
9
Aplicações na Engenharia Civil
10
Aplicações antibacterianas
11
Laboratório de Catálise de Materiais
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Catalizadores de duas fases
Two-phase catalysts MWNT-TiO2: Carbon phase:
Multiwalled Carbon Nanotubes (MWNT), High purity (>98%) Sinthesized by catalytic chemical vapor deposition of
ethylene with a Fe/Al2O3 catalyst
Commercially available (Shenzen NTP, China) Semiconductor oxide phase:
Titanium dioxide (TiO2) Prepared by a acid modified sol-gel method
MWCNT (5, 10, 20, 40) : TiO2 (100) w/w
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h
Pollutant
CO2 + H2O
h
h
Fotocatálise: CNT/TiOFotocatálise: CNT/TiO2 2
CNT-TiO2
CNT-TiO2
CNT(H2)-TiO2
O2
h
TiO2O2
e
e
CB
VB
CNT
HO + H+ H2O
HO + H+
TiO2e
VB
CB
h
h+
CNT-TiO2
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Nanotubos de Carbono para a catálise
Elevada resistência mecânica Boa flexibilidade Boa resiliência
STRUCTURALORDER
MECHNICALPROPERTIES
CNT BASEDCOMPOSITES
15
CSIC – ICB de Madrid
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Síntese Hidrotérmica de nanotubos de TiO2
TiO2 Multiwall nanotubes: OD = 7-10nm; ID = 4-5nm
TiO2 nanoparticles on TiO2 nanotubes
Anatase powder TiO2 nanotubes1) 10M NaOH, 135°C
2) 0.1M HCl
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Síntese de nanotubos de TiO2: matriz padrão
Alumina template: Anodise 25 from
Whatman (pore size = 200 nm)
Vacuum treatment
TITANIUM PRECURSORTi Isopropoxide
Thermal Treatment
Removing the alumina template
Doping
TiO2 nanotubes
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Universidade do Minho
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Symmetric compression
of the monolayer by
two inter-linked surface
barriers
PTFE trough
DipperElectro- balance
Wilhelmy plate
Síntese de filmes de TiO2 por sol-gel
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Aqueous subphase Solid substrate Monolayer at
liquid surface
Aqueous subphase Solid substrate Monolayer at
liquid surface
Partículas de TiO2 rodeadas por
surfactante catiónico CTAB, foram depositadas em filmes de Langmuir-Blodgett
Filmes de Langmuir-Blodgett
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TiOTiO22 preparation by 2D sol-gel process in Langmuir-Blodgett films preparation by 2D sol-gel process in Langmuir-Blodgett films
Langmuir Blodgett Monolayers of Ti(isopropoxide)+acac (acetic acid subphase)
0
5
10
15
20
120 140 160 180 200 220 240
Area (cm2)
Su
rfac
e P
ress
ure
dipping of 7 monolayersneeds optimizatoin : 0.31<Tr<6.7
Langmuir Blodgett Monolayers of Ti(isopropoxide)+acac (acetic acid subphase)
0
5
10
15
20
120 140 160 180 200 220 240
Area (cm2)
Su
rfac
e P
ress
ure
dipping of 7 monolayersneeds optimizatoin : 0.31<Tr<6.7
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
220 240 260 280 300 320 340
c.d.o(nm)
A
t=0
t=0.25h
t=0.5h
t=0.75h
t=1.25h
t=1.75h
t=2.25h
t=2.75h
t=3.25h
t=3.75h
t=4.25h
t=4.75h
t=5.25h
Photodegradation of Phenol using TiO2 in Langmuir-Blodgett FilmsPhotodegradation of Phenol using TiO2 in Langmuir-Blodgett Films
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Pulverização reactiva por magnetrão
Alvos puros de Ti Fontes pulsadas dc Pressão de base ~ 10-
5 Pa Substratos de metal,
polímero, cerâmico, têxtil, vidro …
Espessura: 50-2000 nm
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Experiências de irradiação UV-Vis
São utilizados corantes têxteis como simuladores de poluentes.
Os revestimentos fotocatalíticos são imersos no corante dentro de uma cuvete de quartzo.
Utiliza-se uma lâmpada de Xénon de de 150 W como simulador solar.
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Deposição em substratos de PVDF-,- and TrFE
0 50 100 150 200 250 300 350 400
thickness= 256.36 nmRed 41 DYE
c/c 0 (
%)
Time (min.)
TrFE PVDF- PVDF-
k= 7.525E-5 min-1
k= 1.043E-4 min-1
k= 1.292E-4 min-1
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Reactor solar fotocatalítico
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Universidade da Corunha
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Objectivos de análise química
Obtenção de informação de análises espectroscópicas e termodinâmicas referentes a espécies com tempos de vida curtos provenientes de poluentes aquáticos
Elucidar os mecanismos inerentes ao processo fotocatalítico
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
0 5 10 15 20Irradiation time (min)
HP
LC
are
a (d
etec
tio
n 2
50 n
m)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Diu
ron
(mg
L-1)
2 39 1112 13(15+16)/2 4Diuron
2828
Cl O C CH3
OH
C O
CH3
HO O C CH3
OH
C O
CH3
-Cl
HOOCHOOC
OH
HOOC
OH
or
clofibric acid
2-(4-hydroxyphenoxy)-isobutyric acid
isobutyric acid
2- or 3-hydroxyisobutyric acid
Cl OH
4 -chlorophenol
+
Cl OH
OH
HOOCHOOC
OH
HOOC
OH
or
isobutyric acid
2- or 3-hydroxyisobutyric acid
HO OH
+ -Cl
hydroquinonehydroxyhydroquinone
p-benzoquinone hydroxyhydroquinone
-Cl
hydroxybenzoquinone
aliphatic intermediates CO2
4 -chlorocatechol
-Cl
OH
phenol
Elucidar os mecanismos de reação para processos de fotólise directa
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Agradecimentos
FCT pelo financiamento do projecto do INL: Nano/NTec-CA/0046/2007
Action 540 »PHONASUM« Action 540 »PHONASUM«
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