Investigation of photoinduced reactions under visible light in pure mesoporous TiO2 films and modified with gold nanoparticles via mass spectrometry

A titânia (TiO2) é um material amplamente estudado devido ao seu baixo teor de toxicidade, alta disponibilidade e por apresentar propriedades que permitem ser utilizado em uma variedade de aplicações fotocatalíticas. Sua atividade fotocatalítica frente à degradação de poluentes orgânicos, por exemplo, pode ser melhorada quando se prepara uma mistura de fases desse material, como o TiO2 P-25 apresenta. Entretanto, seu elevado valor de band gap lhe permite ser utilizado apenas quando incidido com radiação eletromagnética de alta energia (&#955;< 390 nm). O presente trabalho demonstra que quando TiO2 P-25 é sintetizado em forma de filmes mesoporosos, seu band gap é reduzido e passa a apresentar atividade fotocatalítica sob incidência de luz visível. Essa redução é atribuída ao tratamento térmico que é aplicado no processo de preparo do material. Para comprovar sua atividade na ausência de radiação UV, um estudo foi conduzido a partir da análise da taxa de fotodegradação das moléculas 2-naftol, alaranjado de metila e 2,4,6-trimercapto- 1,3,5-triazina por espectrometria de massas utilizando o composto hexafluorofosfato de amônio como padrão interno. A metodologia desenvolvida pode também ser aplicada para conduzir outros ensaios semi-quantitativos por espectrometria de massas. Foi observado que os filmes de TiO2 promovem fodo-oxidação de 2-naftol sob incidência de luz visível e na presença de gás oxigênio após 6 horas de reação. A fotodegradação do alaranjado de metila e do 2,4,6-trimercapto-1,3,5-triazina também foi confirmada, entretanto em uma taxa mais lenta. O processo também foi observado pela identificação de um subproduto da foto-oxidação do alaranjado de metila no espectro de massas e a partir do decaimento do seu pico de absorção em 468 nm por espectrofotometria no UV-Vis. Foi observado também que a titânia pode ter sua atividade fotocatalítica reduzida ao elevar o pH do meio. Além disso, foram produzidos filmes de titânia modificados com nanopartículas de ouro a partir da utilização de ácido tioglicólico como mediador e por drop casting. Os dois métodosformaram filmes homogêneos de nanopartículas de ouro sobre o TiO2, e estes foram utilizados nos ensaios fotocatalíticos. Entretanto, a presença do metal prejudicou a eficiência fotocatalítica da titânia inibindo sua atividade quando excitada com luz visível. Dessa forma, filmes puros de TiO2 P-25, além de ativos sob incidência de uma faixa espectral mais ampla da radiação solar, apresentam a vantagem de funcionarem como catalisadores heterogêneos de reações de fotodegradação de moléculas orgânicas podendo ser facilmente removidos do meio reacional ao final do processo.Titania (TiO2) is a widely studied material due to its low toxicity, high availability and to have properties that allow it to be used in a variety of photocatalytic applications. Its photocatalytic activity against the degradation of organic contaminants, for instance, can be even improved when preparing a mixture of phases of this material, as TiO2 P- 25 presents. However, its high band gap allows it to be used only when affected by high energy electromagnetic radiation (&#955;< 390 nm). The present work demonstrates that when TiO2 P-25 is synthesized in the form of mesoporous films, its band gap is reduced, and it starts to present photocatalytic activity under visible light. This reduction is attributed to the heat treatment that is applied during the preparation process of the material. In order to verify its activity in the absence of UV radiation, a study was conducted based on the analysis of the photodegradation rate of 2-naphthol, methyl orange and 2,4,6-trimercapto-1,3,5-triazine molecules by mass spectrometry using the compound ammonium hexafluorophosphate as an internal standard. The developed methodology can also be applied to conduct other semiquantitative assays via mass spectrometry. It was observed that TiO2 films induced 2-naphthol photooxidation under visible light and in the presence of oxygen gas after 6 hours of reaction. Photodegradation of methyl orange and 2,4,6-trimercapto-1,3,5-triazine was also confirmed, yet at a slower rate. The process was also observed by the identification of a methyl orange photooxidation by-product in the mass spectrum and from the decay of its absorption peak at 468 nm by UV-Vis spectrophotometry. It was also observed that titania may have its photocatalytic activity reduced by raising the pH of the medium. Furthermore, it was also produced titania films modified with gold nanoparticles through use of thioglycolic acid as a mediator and by drop casting method. Both techniques formed homogeneous films of gold nanoparticles over TiO2, and their photocatalytic activity were also evaluated. Nevertheless, the presence of the metal impaired the photocatalytic efficiency of titania by inhibiting its activity when excited by visible light. All in all, pure TiO2 P-25 films work under incidence of a wider range of the solar spectrum and has also the advantage of functioning as heterogeneous catalysts for photodegradation reactions of organic molecules and can be easily removed from the reaction medium at the end of the process