Síntese e atividade fotocatalítica de nanopartículas de TiO2 para degradação do fármaco N-(4-hidroxifenil)etanamida (Paracetamol)

Abstract

O dióxido de titânio (TiO₂) é um dos semicondutores mais utilizados em processos de fotocatálise heterogênea, com destaque para sua estabilidade, baixo custo e alta atividade sob radiação UV. Contudo, no Brasil, o TiO₂ comercial é importado, o que limita seu uso. Este trabalho teve como objetivo desenvolver uma rota de síntese inorgânica direta para obtenção de nanopartículas de TiO₂, sem necessidade de recorrer a um tratamento térmico prolongado, visando aplicação na degradação fotocatalítica do fármaco Paracetamol sob incidência da radiação UV. A rota foi realizada via precipitação controlada, utilizando como precursores sulfato de titânio (TiOSO₄) e hidróxido de amônio (NH₄OH), com diferentes proporções, ordens de adição, tempos de gotejamento e solventes reacionais. As nanopartículas obtidas foram caracterizadas por Difração de Raios-X (DRX), Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), DSC/TG Calorimetria Exploratória Diferencial e Termogravimetria (ATD/TG), método de Brunauer–Emmett–Teller e método de Barrett–Joyner–Halenda (BET/BJH), Microscopia Eletrônica de Varredura com Espectroscopia de Energia Dispersiva (MEV/EDS), espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica (RPE), Espectroscopia de Reflectância Difusa (ERD), Espectroscopia Raman, Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (CLAE), e espectrometria de massas (EM). Os testes de atividade fotocatalítica foram conduzidos frente à degradação do Paracetamol sob luz UV e luz visível. Os resultados comprovaram a formação de TiO₂ na fase anatásio, eficiente na fotodegradação. A amostra M1C15 determinada como a melhor condição de síntese realizada apresentou elevada eficiência fotocatalítica, com área superficial específica superior à da amostra comercial (P25 Evonik, utilizada como referência), e degradação de 80% do Paracetamol em 180 minutos. A análise térmica indicou perda de massa significativa, sugerindo que o processo de síntese ainda pode ser otimizado. A presença de ligações Ti–O–Ti foi confirmada por FTIR, enquanto a análise EPR demonstrou a formação de radicais ●OH sob irradiação Ultravioleta (UV). Testes sob luz visível foram realizados, nos quais a amostra M1C15 apresentou atividade fotocatalítica com remoção de 18,2% do Paracetamol, demonstrando potencial de atuação além da faixa UV. Esse resultado indica que o material sintetizado pode ser aplicado em sistemas com iluminação natural ou artificial de menor custo energético. Portanto, a rota proposta mostrou-se viável, de baixo custo e com bom desempenho fotocatalítico, sendo promissora para tratamento de águas residuárias contaminadas por fármaco, contribuindo para o desenvolvimento de fotocatalisadores eficientes.

Titanium dioxide (TiO₂) is one of the most widely used semiconductors in heterogeneous photocatalysis processes, notably due to its stability, low cost, and high activity under UV radiation. However, in Brazil, commercial TiO₂ is imported, which limits its use. This work aimed to develop a direct inorganic synthetic route to obtain TiO₂ nanoparticles without the need for prolonged heat treatment, aiming at application in the photocatalytic degradation of the drug paracetamol under UV radiation. The synthesis was carried out via controlled precipitation, using titanium sulfate (TiOSO₄) and ammonium hydroxide (NH₄OH) as precursors, with different proportions, addition orders, drop times, and reaction solvents. The obtained nanoparticles were characterized by X-ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Differential Scanning Calorimetry and Thermogravimetry (DSC/TG), Brunauer–Emmett–Teller method and Barrett–Joyner–Halenda method (BET/BJH), Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive Spectroscopy (SEM/EDS), Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy (EPR), Diffuse Reflectance Spectroscopy (DRS), Raman Spectroscopy, High Performance Liquid Chromatography (HPLC), and Mass Spectrometry (MS). Photocatalytic activity tests were conducted against the degradation of Paracetamol under UV and visible light. The results confirmed the formation of TiO₂ in the anatase phase, efficient in photodegradation. The M1C15 sample showed high photocatalytic efficiency, with a higher specific surface area than the commercial sample (P25 Evonik used), and 80% paracetamol degradation in 180 minutes. Thermal analysis indicated significant mass loss, suggesting that the synthesis process can still be optimized. The presence of Ti–O–Ti bonds was confirmed by FTIR, while EPR analysis demonstrated the formation of ●OH radicals under ultraviolet (UV) irradiation. Tests under visible light were performed, in which the M1C15 sample showed photocatalytic activity, removing 18.2% of paracetamol, demonstrating potential for action beyond the UV range. This result indicates that the synthesized material can be applied in systems with natural or artificial lighting with lower energy costs. Therefore, the proposed route proved to be viable, low-cost, and with good photocatalytic performance, promising for the treatment of pharmaceutical-contaminated wastewater, contributing to the development of efficient photocatalysts.