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Congo red photocatalytic degradation on the copper nanoparticles deposited on carriers

Este estudo demonstra que nanopartículas de cobre (4,5 % em peso) sintetizadas sobre alumina gama e zeólita clinoptilolita natural degradam efetivamente o corante Vermelho Congo via fotocatálise, com o catalisador suportado em alumina exibindo desempenho superior atribuído à sua mesoporosidade aprimorada e a uma proporção mais elevada de nanopartículas menores de 2 nm.

Autores originais: Lyubov Kazymyrivna Patrylak, Yakovenko A.V., Hutsul K.R., Pertko O.P., Kamenskyh D.S.

Publicado 2026-10-07

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CC BY 4.0

Autores originais: Lyubov Kazymyrivna Patrylak, Yakovenko A.V., Hutsul K.R., Pertko O.P., Kamenskyh D.S.

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

A poluição da água por corantes industriais é um problema persistente. Fábricas têxteis, papéis e produtores de plástico liberam vastas quantidades de águas residuais coloridas em rios e lagos. Esses corantes sintéticos são projetados para serem estáveis e duradouros, o que os torna resistentes à decomposição natural por bactérias ou pela luz solar. Quando permanecem no ambiente, eles bloqueiam a luz solar que chega às plantas subaquáticas e podem ser tóxicos para peixes e outras formas de vida aquática. Os métodos tradicionais de tratamento de água, como a filtragem ou a adição de produtos químicos para agrupar partículas, frequentemente falham em remover completamente essas complexas moléculas de cor, especialmente quando a água está fortemente contaminada. Cientistas recorreram a uma abordagem mais avançada chamada fotocatálise. Este processo utiliza a luz para ativar um material especial que atua como um acelerador químico, decompondo poluentes prejudiciais em substâncias inofensivas, como água e dióxido de carbono. Embora o dióxido de titânio seja o material mais comum utilizado, os pesquisadores buscam constantemente alternativas mais baratas e acessíveis que funcionem tão bem sob a luz visível.

Uma equipe de pesquisadores na Ucrânia partiu para testar um candidato específico e acessível: nanopartículas de cobre. O cobre é muito menos caro do que metais preciosos como a platina ou o ouro, mas tem mostrado promessa em ajudar outros materiais a decompor poluentes. O desafio reside em como usar o cobre de forma eficaz. Se as partículas de cobre se agruparem demais, elas perdem sua área superficial e tornam-se menos ativas. Para evitar isso, os cientistas fixaram minúsculas partículas de cobre em dois suportes sólidos diferentes, ou esponjas, que seguram o metal e o espalham. Eles escolheram dois materiais muito diferentes para esta tarefa: alumina gama, uma cerâmica sintética com uma rede de pequenos túneis, e zeolita natural, um mineral poroso encontrado na terra. O objetivo era ver qual suporte permitia que o cobre funcionasse melhor na destruição de um corante vermelho comum chamado vermelho de Congo.

Os pesquisadores começaram preparando os suportes. Eles pegaram rocha de zeolita natural de um depósito específico nas Montanhas Cárpatos e trataram-na com uma solução química para limpar impurezas e alargar seus canais internos. Também utilizaram uma forma industrial padrão de alumina gama. Ambos os materiais foram então mergulhados em uma solução contendo nitrato de cobre. Para transformar os íons de cobre em metal sólido, adicionaram ácido ascórbico, um agente redutor comum, e aqueceram a mistura. Este processo criou minúsculas partículas de cobre, com cerca de dois a três nanômetros de tamanho, que são tão pequenas que um milhão delas caberia na largura de um fio de cabelo humano. A equipe então examinou esses novos catalisadores usando microscópios poderosos e máquinas de raios X para ver exatamente o que haviam fabricado.

As imagens revelaram diferenças distintas entre as duas amostras. Na alumina gama, as partículas de cobre estavam espalhadas uniformemente, situadas dentro dos muitos poros do material. A superfície do catalisador de alumina era altamente porosa, oferecendo uma vasta área para ocorrerem as reações. Em contraste, o cobre na zeolita natural comportou-se de forma diferente. Como os canais internos da zeolita eram muito estreitos para que os precursores de cobre entrassem facilmente, o metal formou-se principalmente na superfície externa. Isso levou à criação de grandes aglomerados, ou aglomerados, alguns atingindo até trinta nanômetros de tamanho. A análise de raios X sugeriu que as partículas de cobre em ambas as amostras possuíam uma estrutura específica: um núcleo de cobre metálico puro cercado por uma fina camada de óxido de cobre. Esse arranjo núcleo-casca é comum quando o cobre é exposto ao ar, pois o metal reage prontamente com o oxigênio para formar uma camada protetora.

Quando a equipe testou os catalisadores expondo soluções de vermelho de Congo à luz ultravioleta, os resultados foram claros. O catalisador feito com alumina gama foi altamente eficaz, removendo quase toda a cor da solução de corante em apenas alguns minutos, independentemente de quão concentrada estivesse a solução. O catalisador baseado em zeolita também funcionou, mas foi menos eficiente. Ele conseguia limpar uma solução diluída do corante, mas, à medida que a concentração do corante aumentava, seu desempenho caía significativamente. Os pesquisadores descobriram que, para fazer o catalisador de zeolita funcionar tão bem quanto o de alumina, eles precisavam usar quantidades muito maiores do material.

A diferença de desempenho deveu-se à estrutura física dos suportes. A alumina gama oferecia uma área superficial muito maior e uma rede de poros com o tamanho adequado para permitir que as moléculas de cor atingissem as partículas de cobre no interior. A zeolita, mesmo após o tratamento, teve dificuldades em permitir que as grandes moléculas de cor penetrassem em sua estrutura, limitando a reação à superfície externa. Além disso, os grandes aglomerados de cobre na zeolita eram menos ativos do que as partículas minúsculas e bem dispersas na alumina. O estudo sugere que, embora a zeolita natural possa ser usada como suporte para fotocatalisadores de cobre, sua eficácia é limitada pelo tamanho de seus poros e pela tendência do metal de formar grandes aglomerados. O suporte de alumina gama, com sua porosidade superior e capacidade de manter partículas menores e mais ativas, provou ser a escolha mais eficaz para decompor esses corantes industriais persistentes.

Resumo Técnico: Degradação Fotocatalítica de Vermelho Congo em Nanopartículas de Cobre Depositadas em Suportes

Problema
Corantes sintéticos, como o Vermelho Congo, são poluentes persistentes em águas residuais industriais devido à sua resistência à biodegradação natural, alta demanda química de oxigênio e toxicidade para a vida aquática e humanos. Métodos convencionais de tratamento de água, como coagulação, floculação e adsorção, são frequentemente insuficientes para degradar esses compostos estáveis, particularmente em concentrações elevadas. Embora a fotocatálise ofereça uma tecnologia de oxidação avançada promissora utilizando radicais hidroxila para mineralizar corantes, há uma necessidade de otimizar a eficiência e o custo do catalisador. O dióxido de titânio ( $TiO_2$ ) é o padrão, mas metais de transição como o cobre oferecem uma alternativa de baixo custo com band gaps estreitos adequados para a absorção de luz visível. No entanto, o desempenho dos catalisadores baseados em cobre é fortemente influenciado pelo tamanho das partículas, morfologia e a natureza do material suporte.

Metodologia
O estudo visou sintetizar e comparar nanopartículas de cobre (Cu-NPs) depositadas em dois suportes inorgânicos distintos: $\gamma$ -alumina e clinoptilolita natural do tipo zeólita.

Síntese: Ambos os suportes foram calcinados a 380°C. O cobre foi introduzido via impregnação com nitrato de cobre para atingir uma carga alvo de 4,5 % em peso. O cobre foi reduzido ao estado metálico usando ácido ascórbico em uma suspensão aquosa a 80–85°C.
Pré-tratamento da Zeólita: A zeólita natural passou por um processo de desaluminação usando ácido etilenodiamino tetraacético (EDTA) para expandir seu sistema de poros antes da deposição de cobre.
Caracterização: Os catalisadores resultantes (Cu-Al $_2$ $_{2}$ O $_3$ $_{3}$ e Cu-Clin) foram analisados por meio de:
- XRF e Fotocolorimetria: Para determinar o conteúdo de cobre.
- Adsorção/Dessorção de Nitrogênio (BET/BJH/DFT): Para avaliar a área superficial específica, volume de poros e distribuição de tamanho de poros.
- XRD: Para identificar fases cristalinas e propriedades estruturais.
- TEM e SEM: Para visualizar o tamanho, distribuição e morfologia das nanopartículas.
Testes Fotocatalíticos: A degradação de soluções de Vermelho Congo (concentrações de 8, 15 e 25 mg/L) foi realizada sob luz UV (254 nm) utilizando um setup de agitação magnética. A eficiência de descoloração foi medida espectrofotometricamente.

Resultados Principais

Propriedades Estruturais e Morfológicas:
- Tamanho de Partícula: A análise TEM confirmou a formação de nanopartículas de cobre com um tamanho predominante de 2–3 nm em ambas as amostras. No entanto, a amostra de Cu-zeólita exibiu uma distribuição mais ampla, incluindo aglomerados significativos de até 30–40 nm, enquanto a amostra de Cu-alumina apresentou uma distribuição mais estreita com aglomerados grandes mínimos.
- Estrutura Cristalina: Os padrões de XRD indicaram a presença de cobre metálico ( $Cu^0$ ) de estrutura cúbica de face centrada e sugeriram uma estrutura núcleo-casca composta por um núcleo de $Cu^0$ e uma fina casca de $Cu_2O$ , atribuída à oxidação superficial.
- Porosidade e Dispersão: O suporte de $\gamma$ -alumina possuía uma alta área superficial específica ( $S_{BET} \approx 224$ m $^2$ /g) e um sistema mesoporoso desenvolvido, permitindo uma penetração profunda e dispersão uniforme das nanopartículas de cobre dentro do volume do suporte. Em contraste, o suporte de zeólita, apesar do tratamento com EDTA, apresentou menor área superficial e evidências de que as nanopartículas de cobre estavam localizadas principalmente na superfície externa, bloqueando as entradas dos microporos.
Desempenho Fotocatalítico:
- Cu-Alumina: Demonstrou atividade superior, alcançando 98–99% de descoloração do Vermelho Congo em todas as concentrações testadas (8–25 mg/L) em 10 minutos usando 0,01 g de catalisador.
- Cu-Zeólita: Mostrou menor eficiência, particularmente em concentrações mais altas de corante. Embora tenha degradado eficazmente soluções de 8 mg/L, o desempenho caiu para soluções de 15 e 25 mg/L. Para alcançar níveis de degradação comparáveis (98% para 15 mg/L e alta degradação para 25 mg/L), a carga do catalisador teve que ser aumentada significativamente (até 0,05 g).

Significância e Conclusões
O artigo conclui que, embora ambos os suportes carregados com cobre funcionem como fotocatalisadores eficazes para a degradação do Vermelho Congo, o sistema Cu- $\gamma$ -alumina é significativamente mais ativo que o sistema Cu-clinoptilolita. Os autores atribuem este desempenho superior a dois fatores principais:

Estrutura Porosa: A natureza mesoporosa da alumina facilita uma melhor difusão das moléculas de corante e permite uma maior dispersão das nanopartículas ativas dentro do volume do suporte, enquanto a natureza microporosa da zeólita limita o acesso e leva a uma atividade predominantemente superficial.
Distribuição de Nanopartículas: A amostra de Cu-alumina mantém uma proporção mais alta de nanopartículas de 2 nm altamente ativas, enquanto a amostra de Cu-zeólita contém uma fração substancial (até 30%) de aglomerados maiores e menos ativos.

O estudo destaca que a seleção do suporte é crítica para otimizar fotocatalisadores baseados em cobre. Sugere que, embora zeólitas naturais possam ser utilizadas, sua eficiência é limitada pela acessibilidade dos poros e pela aglomeração de nanopartículas, a menos que a carga do catalisador seja aumentada. O trabalho confirma que nanopartículas de cobre com estrutura núcleo-casca podem servir como alternativas eficazes e de baixo custo para a descoloração de corantes, desde que suportadas em materiais com propriedades texturais apropriadas.

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