Os óxidos metálicos semicondutores vêm atuando com destaque em muitas tecnologias atuais e apontam para um papel importante na habilitação de uma série de aplicações futuras, podendo ser utilizados como sensores ou catalisadores, por exemplo. O rápido progresso na nanotecnologia desses semicondutores, por sua vez, depende diretamente do sucesso na quantificação e compreensão da natureza, da estrutura e das propriedades únicas que tais materiais possuem.
O ZnO (óxido de zinco) é um dos materiais multifuncionais que se destacam neste meio, principalmente devido às suas propriedades físico-químicas excepcionais. Esse semicondutor apresenta uma alta energia de gap, ou seja, para que um elétron seja excitado da banda de valência (BV) para a banda de condução (BC) a ponto de gerar o par elétron-buraco, se faz necessária uma energia de excitação mais alta do que a proporcionada pela região do espectro visível.
Nesse sentido, o processo conhecido como dopagem, que é a inserção de um elemento estranho à matriz do ZnO, pode gerar modificações estruturais e ópticas, e, por consequência, novos níveis energéticos entre a BV e a BC. Essas modificações podem beneficiar a formação dos pares elétron-buraco e aprimorar a atividade fotocatalítica do material. Além disso, a dopagem também pode afetar o processo de nucleação e o crescimento de partículas, alterando a forma e tamanho das partículas do material e, em função disso, as superfícies expostas.
Diante das descobertas expostas, a recente publicação do Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CDMF), intitulada “Efficient Ni and Fe doping process in ZnO with enhanced photocatalytic activity: A theoretical and experimental investigation” e que foi veiculada no periódico Materials Research Bulletin, propõe a sintetização das amostras de ZnO utilizando o método hidrotérmico de micro-ondas, que emprega um forno de micro-ondas convencional contendo um reator de teflon e água como solvente.
Como vantagens, esse método apresenta curtos períodos de reação, apresentando, portanto, um baixo custo energético e possibilitando um controle preciso dos parâmetros de síntese. “O zinco por ser um metal de transição relativamente abundante se torna uma excelente opção para aplicação dada a sua disponibilidade, assim como os dopantes inseridos Ni (níquel) e Fe (ferro) que também são metais de transição, se tratando portanto de um material de custo relativamente baixo”, explica a pós-doutoranda do CDMF e primeira autora do estudo, Samantha C. S. Lemos.
As amostras de ZnO sem dopagem e dopadas com os cátions Fe3+ e Ni2+ foram submetidas a técnicas de caracterização que possibilitaram elucidar a estrutura formada, o grau de ordem e desordem estrutural do material, a forma das partículas sintetizadas e obter informações sobre a interação do material com a luz (propriedades ópticas). Segundo Lemos, a simulação computacional das estruturas sem dopagem e dopadas agregou ao conjunto de resultados experimentais informações sobre novos níveis energéticos formados e a especificidade de cada dopante quando inserido na rede do ZnO. “Sendo assim, a análise de todo esse conjunto de dados permitiu alcançar uma profunda compreensão que é necessária para a modulação da atividade catalítica do material”, completou a pesquisadora.
Em um outro momento, as amostras de ZnO puro e dopados foram empregadas como catalisadores para a fotodegradação dos corantes orgânicos rodamina B(RhB) e 4-nitrofenol(4-NP), que constituem fontes contaminantes em corpos de água, estando presentes nos efluentes gerados por indústrias têxteis, de agrotóxicos e farmacêuticas, por exemplo. Como resultado dessa tentativa, foi observado um excelente desempenho de degradação alcançado pelas amostras de ZnO dopadas com Ni2+ e Fe3+, “o que atesta a modificação por dopagem como uma estratégia promissora para a otimização da eficiência de catalisadores para aplicação na fotodegradação de poluentes”, concluiu Samantha Custódio.Também contribuíram com o estudo publicado os pesquisadores Thaís Karine de Lima Rezende, Marcelo Assis, Fernanda da Costa Romeiro, Diego Alves Peixoto, Eduardo de Oliveira Gomes, Gabriel Marques Jacobsen, Marcio Daldin Teodoro, Lourdes Gracia, Jefferson Luis Ferrari, Elson Longo, Juan Andrés e Renata Cristina de Lima.
CDMF
O CDMF é um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (Cepids) apoiados pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), e recebe também investimento do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), a partir do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia dos Materiais em Nanotecnologia (INCTMN).
