Heterojunção desenvolvida por pesquisadores brasileiros utiliza resíduos industriais e biogênicos para degradar azul de metileno sob luz solar e gerar hidrogênio
Pesquisadores brasileiros desenvolveram um material fotocatalítico a partir de resíduos da indústria siderúrgica e de conchas marinhas capaz de, sob irradiação solar, degradar um contaminante presente na água e produzir hidrogênio. A heterojunção, formada por hidroxiapatita (HAp) e óxido de ferro (Fe₂O₃), apresentou remoção de cerca de 75% do azul de metileno após 150 minutos de exposição à luz solar e também demonstrou capacidade de geração de hidrogênio, reunindo em um único sistema estratégias de tratamento de efluentes, aproveitamento de resíduos e produção de combustível solar.
O trabalho foi publicado na International Journal of Hydrogen Energy e tem entre os autores o professor Elson Longo (LIEC/UFSCar), Mário Andrean Macedo Castro (UFRN), Lucas Oliveira do Rosário (UFRN), Lívia Dantas Ventura UFRN), Marcio Daldin Teodoro (UFSCar), Ricardo Luis Tranquilin (LIEC/UFSCar), Fabiana Villela da Motta (UFRN) e Mauricio Bomio (UFRN).
A pesquisa parte de uma estratégia de economia circular: transformar dois tipos de resíduos em materiais funcionais para aplicações ambientais e energéticas. O Fe₂O₃ foi recuperado de pó de alto-forno, resíduo gerado pela indústria siderúrgica, enquanto a hidroxiapatita foi obtida a partir de resíduos de conchas marinhas.
A combinação dos dois materiais foi realizada em três diferentes proporções de óxido de ferro — 20%, 40% e 60% — dando origem às amostras denominadas HFe20, HFe40 e HFe60. Os pesquisadores avaliaram suas propriedades estruturais, morfológicas, ópticas e eletroquímicas e testaram a atividade fotocatalítica sob radiação solar.
Melhor desempenho com 40% de óxido de ferro
A heterojunção que apresentou o melhor desempenho foi a HFe40, contendo 40% de Fe₂O₃. Nos experimentos, o material removeu aproximadamente 75% do azul de metileno — corante utilizado como modelo de contaminante — após 150 minutos de exposição à luz solar.
A constante de velocidade da reação foi de 9,3 × 10⁻² min⁻¹, superior às obtidas para HFe20, hidroxiapatita pura e HFe60, indicando uma degradação mais rápida do contaminante.
O azul de metileno é amplamente utilizado como corante e pode representar um problema ambiental quando presente em corpos d’água. Além dos possíveis efeitos adversos à saúde, sua presença em rios e mares pode reduzir a penetração da luz na água e prejudicar processos de fotossíntese e organismos aquáticos.
A eficiência do material não parece estar relacionada apenas à área superficial. Embora a hidroxiapatita pura tenha apresentado área específica de 82,49 m² por grama, a HFe40 apresentou área menor. O desempenho superior da heterojunção está associado principalmente às propriedades eletrônicas resultantes da interação entre as duas fases e à maior eficiência na separação dos portadores de carga gerados pela luz.
Como funciona a heterojunção
A hidroxiapatita apresenta uma ampla banda proibida, o que restringe sua ativação principalmente à radiação ultravioleta. Já o Fe₂O₃ possui uma banda proibida menor e consegue absorver uma faixa mais ampla da radiação, incluindo a região visível.
Ao colocar os dois semicondutores em contato, os pesquisadores buscaram ampliar o aproveitamento da radiação solar e favorecer a separação de elétrons e lacunas — cargas elétricas produzidas quando o material absorve luz.
As análises indicaram que a HFe40 apresentou a maior densidade de portadores de carga entre as amostras estudadas. A microscopia eletrônica também mostrou partículas de hidroxiapatita ancoradas em aglomerados de Fe₂O₃, evidenciando o contato entre as duas fases.
Esse contato interfacial é importante para o funcionamento do material porque pode facilitar a transferência de cargas fotogeradas e reduzir sua recombinação. Dessa maneira, elétrons e lacunas permanecem disponíveis por mais tempo para participar das reações químicas responsáveis pela degradação do contaminante e pela produção de hidrogênio.
Resíduo siderúrgico como matéria-prima
Um dos aspectos de destaque do estudo é a utilização de resíduos como precursores dos materiais.
O pó de alto-forno empregado na pesquisa foi fornecido por uma siderúrgica localizada em Marabá, no Pará. O resíduo apresentou elevado teor de ferro e foi submetido a um processo de lixiviação, precipitação e calcinação para obtenção do Fe₂O₃.
A partir de 5 gramas do resíduo, foi recuperado 1,02 grama de óxido de ferro, correspondendo a um rendimento de 25,62%. A hidroxiapatita, por sua vez, foi produzida utilizando resíduos de conchas marinhas, com rendimento de 63,18%.
A proposta, portanto, não consiste apenas em desenvolver um novo fotocatalisador, mas em agregar valor a materiais que seriam destinados ao descarte. Os próprios autores destacam que a principal contribuição do trabalho está na integração entre valorização de resíduos e fotocatálise.
Produção de hidrogênio
Além de degradar o contaminante, a HFe40 também foi avaliada para a produção fotocatalítica de hidrogênio.
Nos testes, 20 miligramas do material foram adicionados a 20 mililitros de uma solução contendo 10% de ácido lático, utilizado como agente sacrificial. O sistema foi submetido à irradiação solar durante quatro horas e o hidrogênio liberado foi monitorado por um sensor de gás.
A heterojunção produziu mais de 25 micromols de H₂ por grama de material após 240 minutos de irradiação, correspondendo a uma taxa de aproximadamente 6,25 micromols por grama por hora. O rendimento quântico aparente foi de 0,005%.
Os autores, entretanto, fazem uma ressalva importante: os valores de produção de hidrogênio devem ser considerados estimativas experimentais destinadas ao monitoramento e à comparação entre as condições testadas. A quantificação analítica rigorosa exigiria técnicas como cromatografia gasosa, que não estavam disponíveis nessa etapa da pesquisa.
Material mantém desempenho após reutilização
Outro resultado relevante foi a estabilidade da HFe40. Após cinco ciclos de reutilização no processo de degradação do azul de metileno, houve redução de apenas 6% na atividade fotocatalítica.
A análise por difração de raios X realizada após os ciclos confirmou a preservação da estrutura cristalina do material. Os experimentos também indicaram que lacunas fotogeradas e radicais hidroxila são as principais espécies reativas envolvidas na degradação do contaminante.
Para aproximar os experimentos de condições encontradas em ambientes naturais, os pesquisadores também testaram o material em diferentes matrizes aquosas. Foram utilizadas água da chuva, água de lago e água de torneira. As diferenças na atividade da HFe40 foram pequenas, sem efeito inibitório substancial sobre a degradação do azul de metileno.
Próximas etapas
Apesar dos resultados, os pesquisadores ressaltam que ainda há desafios antes de uma eventual aplicação em maior escala. Entre as próximas etapas estão o aumento da eficiência da produção de hidrogênio, a quantificação mais precisa do gás produzido, a avaliação da estabilidade do material por períodos mais longos e os testes com efluentes reais.
Também será necessário avaliar o comportamento do fotocatalisador em escalas maiores. Segundo os autores, o principal resultado do trabalho está na demonstração de uma estratégia integrada de economia circular, na qual resíduos industriais e biogênicos podem ser transformados em materiais funcionais para aplicações simultâneas em remediação ambiental e produção de combustível solar.
A pesquisa contou com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes), do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), por meio do processo nº 2022/10340-2, e do Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (PPGCEM-UFRN). O trabalho também contou com a colaboração da equipe do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNANO).
Referência: Castro, M. A. M. et al. Photocatalytic degradation of methylene blue driven by solar energy and hydrogen production using an eco-friendly HAp/Fe₂O₃ heterojunction. International Journal of Hydrogen Energy, v. 272, 157393, 2026. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.157393. O artigo está disponível em acesso aberto.
