3D printed TiO2 nanostructures for water purification using sunlight

Abstract

In this dissertation, it is explored the application of 3D printing to create structures containing titanium dioxide (TiO2) nanoparticles for water purification using sunlight. The nanoparticles used were efficiently synthesized at low temperatures through a microwave-assisted solvothermal method, in com- parison to conventional methods. The stereolithographic printing technique was employed to produce mesoporous structures with various dimensions and cavities. Two methods were used to introduce na- noparticles into the mesoporous structures: the microwave method (in-situ) and the dip-coating tech- nique. Different solvents and catalysts were used for subsequent structural, morphological, and photo- catalytic efficiency analyses. Photocatalysis tests conducted using a sunlight simulator revealed that the TiO2 sample synthesized at higher temperature and pressure, using ethanol as a solvent during synthe- sis, exhibited the best performance, degrading approximately 85% of RhB in 120 minutes. Subse- quently, tests of photocatalysis under natural sunlight and reuse tests were conducted on the most effective sample. Structural and morphological characterizations of the nanoparticles were performed using scan- ning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy and scanning transmis- sion electron microscopy (STEM). Additionally, optical measurements were also carried out to access the optical band gap values of the powder materials. This approach represents an effective alternative to produce macroporous materials with TiO2, as 3D printing stands out as an economical, simple, fast, and versatile technique in part production, enabling its application in various industrial contexts.

Nesta dissertação, explora-se a aplicação da impressão 3D para criar estruturas contendo na- nopartículas de dióxido de titânio (TiO2) para a purificação da água por meio da luz solar. As nanopar- tículas utilizadas foram sintetizadas de maneira eficiente e a baixa temperatura por meio de um método solvotermal assistido por radiação de micro-ondas, em comparação com os métodos convencionais. Utiliza-se a técnica de impressão estereolitográfica para produzir estruturas mesoporosas com diversas dimensões e cavidades. Dois métodos foram empregues para introduzir as nanopartículas nas estru- turas, como o método de micro-ondas (in-situ) e técnica de dip coating. Utilizaram-se diferentes tipos de solventes e de catalisadores para posterior análise estrutural, morfológica e eficácia na fotocatálise. Os testes de fotocatálise realizados através de um simulador de luz solar, revelaram que a amostra de TiO2 sintetizada a temperatura e pressão mais altas, tendo sido utilizado etanol como solvente durante a síntese da mesma, apresentou a melhor performance, degradando aproximadamente 85% de roda- mina B em 120 minutos. Posteriormente, foram conduzidos testes de fotocatálise à luz solar natural e testes de reutilização na amostra mais eficaz. As caracterizações estruturais e morfológicas das nanopartículas foram realizadas por meio de espectroscopia de raios-X por dispersão de energia (SEM), difração de raios-X (DRX), espectroscopia Raman e microscópio eletrónico de varrimento por transmissão (STEM) . Além disso, a reflectância foi obtida para calcular o hiato energético das nanopartículas. Esta abordagem representa uma alternativa eficaz para a produção de materiais macroporosos com TiO2, uma vez que a impressão 3D se destaca como uma técnica económica, simples, rápida e versátil na produção de peças, possibilitando a sua aplicação em contextos industriais variados.