Tuning, mechanistic routes and performance amplification of microwave-responsive iron/copper carbonaceous heterostructures in the degradation of pharmaceutical substances

Abstract

A presença crescente de fármacos como poluentes em ecossistemas globais é atribuída ao aumento do uso dessas substâncias, com as estações de tratamento de água e esgoto incapazes de removê-las. O interesse de pesquisa se volta para o uso de micro-ondas (MW) na catálise ambiental, aproveitando seus efeitos térmicos e não térmicos para reações mais rápidas, sinergia e elevada mineralização. O desafio, no entanto, é desenvolver materiais versáteis com altas propriedades de absorção de MW, capazes de gerar hot spots e espécies reativas de oxigênio simultaneamente. Neste trabalho, começamos investigando amostras de água residual que apontaram valores elevados (mg L -1 ) de 16 substâncias, indicando um possível descarte direto de fármacos vencidos no sistema de esgoto urbano. A viabilidade para MW foi testada empregando uma reação catalisada por Fe0 , alcançando mineralização total de 1212,2 ± 0,2 mg L-1 de carbono orgânico total (TOC) após 60 minutos. A otimização se deu pela produção de heteroestruturas de calcopirita (CuFeS2) em materiais carbonáceos, testadas para a degradação eficiente de diclofenaco (DCF), ibuprofeno (IBP), naproxeno (NPX), acetaminofeno (ACT) e cetoprofeno (KTP). O primeiro catalisador produzido consistiu em CuFeS2 suportado em carvão ativado (AC), sendo chamado de ACFS. O catalisador alcançou mineralização total de IBP, KTP e DCF em 30 minutos sob uma potência de MW de 598 W, com menos de 2% de lixiviação de Fe e Cu após 10 reutilizações. Os mecanismos de degradação de IBP, KTP e DCF indicaram que o ACFS foi capaz de promover rotas catalíticas oxidativas e redutivas, onde fenômenos de superfície entre as partículas de CuFeS2 e a estrutura do AC contribuíram para a transferência efetiva de carga e equilíbrio à medida que as espécies •OH foram geradas. Como se sabia então que os fenômenos de superfície podem impactar significativamente na estabilidade da heteroestrutura, o segundo catalisador foi desenvolvido usando nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) como suporte, sendo chamado de MWCNT/CPT. Devido à sua estrutura ordenada, o catalisador MWCNT/CPT foi estável durante 20 reutilizações, sendo observada uma diminuição de 50% em sua taxa cinética, mas ainda alcançando mineralização total de ACT e NPX. O MWCNT/CPT apresentou resultados notáveis, proporcionando mineralização total dos dois compostos estudados após apenas 16 minutos. Novamente, os mecanismos de degradação apontaram uma alta contribuição da superfície para fenômenos de transferência de carga, sendo observados dois mecanismos diferentes para degradação molecular e remoção de TOC. Assim, este trabalho fornece informações valiosas sobre como a superfície de um catalisador pode impactar significativamente na eficiência catalítica sob irradiação de MW, comprovando que alto desempenho pode ser alcançado aprimorando-se finamente os parâmetros morfológicos e sinérgicos.