Microwave-assisted syntheses of sustainable TiO2-based platforms for water remediation

Abstract

The widespread contamination of aquatic ecosystems poses critical environmental challenges, spurring intensive global research into advanced sustainable water remediation technologies. Titanium dioxide (TiO2) nanostructures have emerged as prominent photocata- lysts due to their physical/chemical stabilities, cost-effectiveness, and catalytic efficiency. However, TiO2 has a wide band gap, restricting its utilization to the ultraviolet region. To en- hance spectral responsiveness under visible light, various strategies were explored, including the creation of a heterostructure (graphitic carbon nitride/TiO2), multi-dimensional defect en- gineering, as well as doping with two abundant elements: Fe and Ca. To overcome the limita- tions associated with the recovery and recyclability of nanopowders, TiO2-based nanostruc- tures synthesized under microwave irradiation were either incorporated into or directly syn- thesized onto green substrates, floating and non-floating. These substrates included cork, cel- lulose-based materials, resin, and polyurethane foams. The TiO₂-based nanopowders and platforms demonstrated excellent performance, achieving up to ~85 % combined adsorption and degradation of methyl orange and rhodamine B, and ~80 % for tetracycline, within 180– 240 min, depending on the substrate type and synthesis conditions. These breakthroughs show that TiO₂-based nanostructures can be synthesized at mild temperatures (90–230 °C) using microwave-assisted methods and be easily integrated into eco-friendly substrates while ena- bling sustainable water purification. Moreover, this PhD thesis aligns with the United Nations Sustainable Development Goals by promoting circular economy principles through the devel- opment of reusable and eco-friendly materials, fine-tuned to improve water quality.

A vasta contaminação dos ecossistemas aquáticos apresenta desafios ambientais ur- gentes, impulsionando uma investigação intensiva em tecnologias avançadas para a remedia- ção sustentável da água. As nanoestruturas de dióxido de titânio (TiO2) têm-se destacado de- vido às suas estabilidades físico-químicas, relação custo-benefício e eficiência catalítica. No entanto, o TiO2 possui um hiato energético largo, o que restringe a sua utilização à região do ultravioleta. Para melhorar a sua capacidade de absorção à luz visível, várias estratégias foram exploradas, incluindo o fabrico heteroestruturas (nitreto de carbono grafítico/TiO2), engenha- ria de defeitos, bem como dopagem com 2 elementos abundantes: Fe e Ca. Para ultrapassar as limitações associadas à recuperação e reciclabilidade dos nanopós, as nanoestruturas à base de TiO2 sintetizadas por irradiação micro-ondas foram incorporadas ou sintetizadas direta- mente em substratos ecológicos, flutuantes e não flutuantes. Estes substratos incluíram a cor- tiça, materiais à base de celulose, resina e esponjas de poliuretano. Os nanopós à base de TiO2 e as plataformas demonstraram um desempenho excelente, alcançando até cerca de 85 % de adsorção e degradação de laranja de metileno e rodamina B, e aproximadamente 80 % para a tetraciclina, em 180 a 240 minutos, dependendo do tipo de substrato e das condições de síntese. Estes avanços provam que as nanoestruturas à base de TiO₂ podem ser sintetizadas a tempe- raturas moderadas (entre os 90 e os 230 °C) utilizando métodos assistidos por micro-ondas e facilmente integradas em substratos amigos do ambiente, ao mesmo tempo que possibilitam a purificação sustentável da água. Além disso, esta tese de doutoramento está alinhada com os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável das Nações Unidas ao promover os princípios de economia circular através do desenvolvimento de materiais reutilizáveis e ecológicos, oti- mizados para melhorar a qualidade da água.