Carbon-based materials for the photodegradation of pollutants in water

Abstract

Water contamination is a serious global problem which requires efforts to guarantee the water supply for future generations. Pharmaceutical wastes are one of the most relevant water pollutants, and conventional wastewater treatment processes are inefficient to their removal. Advanced oxidation processes based on the use of photocatalysts emerge as a viable alternative for these persistent pollutants. This research work is focused on different carbon-based materials of distinct structural dimensionalities, including graphene oxide and other graphene-based materials, carbon microspheres and carbon dots. Graphene-based materials and carbon microspheres were used as growth platform for different crystalline semiconductor phases, such as metal sulfides and bismuth vanadate with the main goal of developing multicomponent heterogenous photocatalysts activated by visible-light irradiation. The developed hybrid materials were further tested in the photocatalytic degradation of an organic dye (rhodamine B) and two pharmaceutical compounds (sulfamethoxazole and tetracycline), and their photodegradation mechanism was studied. A crucial aspect in developing such hybrid photocatalysts combining distinct functionalities is understanding their surface chemistry. In this work, this objective was explored through surface chemical modification routes for different carbon materials. Lastly, exploratory research was performed on the optical properties and surface chemistry of carbon dots prepared from carrageenan, a renewable carbon source.

A contaminação de águas é um problema à escala global que necessita de um conjunto de esforços para garantir o acesso de água às gerações futuras. Muitos desses contaminantes são resíduos de fármacos, sendo que os processos convencionais de tratamento de águas não são eficientes para a sua remoção. Assim, os processos de oxidação avançados baseados no uso de fotocatalisadores emergem como uma alternativa viável para estes poluentes persistentes. Este trabalho de investigação aborda diferentes materiais baseados em carbono de dimensionalidades estruturais distintas entre os quais, óxido de grafeno e outros materiais baseados em grafeno, esferas micrométricas de carbono e pontos de carbono. Os materiais baseados em grafeno e as esferas micrométricas de carbono foram usados como plataforma para o crescimento de diferentes fases cristalinas semicondutoras tais como, sulfuretos metálicos e vanadato de bismuto, com o objetivo de desenvolver fotocatalisadores heterogéneos com capacidade de serem ativados através de radiação solar. Os materiais híbridos desenvolvidos foram testados na degradação fotocatalítica de um corante orgânico (rodamina B) e dois fármacos (sulfametoxazol e tetraciclina), tendo sido estudado o seu mecanismo de fotodegradação. Um aspeto crucial para o desenvolvimento de fotocatalisadores híbridos que conjuguem várias funcionalidades é o conhecimento da sua química de superfície. Neste trabalho, esse objetivo foi explorado através de vias químicas de modificação superficial para os diferentes materiais de carbono. Por fim, foi realizada uma investigação preliminar relativamente às propriedades óticas e à química de superfície de pontos de carbono preparados a partir de carragenano, uma fonte de carbono renovável.