Neste trabalho, investigamos um processo de síntese sol-gel assistido por radiação micro-ondas para obter fotocatalisadores de TiO2 com variável concentração de nióbio (15, 30, 45 e 70% mol Nb) e/ou concentrações fixas de nitrogênio ou enxofre (5% mol em relação à soma Ti+Nb). As técnicas de caracterização (difração de raios-X, DRX; microscopia eletrônica de varredura, MEV; espectroscopia de energia dispersiva, EDS; termogravimetria diferencial, DTG; calorimetria exploratória diferencial, DSC; espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier, FT-IR, e reflectância difusa) sugerem a inclusão do Nb na estrutura cristalina do TiO2. Todavia, evidências da dopagem efetiva do TiO2 com N ou S permanecem não esclarecidas. Os valores de Egap dos fotocatalisadores preparados nesta Dissertação variaram entre 3,09 e 3,23 eV, próximos do valor do TiO2 da literatura (Egap = 3,2 eV). Conduzimos experimentos utilizando a oxidação fotocatalítica do metanol como reação modelo e a fotodegradação do corante C.I. Reactive Orange 107 (RO107) como medida da eficiência fotocatalítica. As amostras de TiO2 contendo 15 ou 30% mol de Nb apresentaram melhores taxas de foto-oxidação do metanol (2,86 e 2,10 x 10-6 mol L-1 min-1) em relação ao TiO2 puro (1,65 x 10-6 mol L-1 min-1). Fotocatalisadores com maiores concentrações de Nb (45 e 70% mol Nb) apresentaram baixa atividade fotocatalítica porque o precursor de nióbio (complexo oxalato de amônio e nióbio) se degradou parcialmente. Isto levou à formação de material amorfo e o Nb não foi completamente incluso na rede cristalina do TiO2. Os fotocatalisadores TiO2 codopados com 5% mol S ou N e 15 ou 30% mol de nióbio (Nb15-TiO2, S,Nb15-TiO2, N,Nb30-TiO2 e S,Nb30-TiO2) apresentaram maior cristalinidade, menores agregados de partículas, e as maiores taxas de oxidação fotocatalítica do metanol (desde 2,58 até 2,91 x 10-6 mol L-1 min-1). A degradação fotocatalítica do RO107 na presença dos fotocatalisadores Nb15-TiO2, S,Nb15-TiO2, N,Nb30-TiO2 e S,Nb30-TiO2 após 6 h de exposição sob luz UV-Visível promoveu a remoção de 87 a 99% do corante. Os óxidos Nb15-TiO2, S,Nb15-TiO2 e S,Nb30-TiO2 foram submetidos a fotodegradações sucessivas do corante RO107 em experimentos de reciclagem. Após cinco ciclos de degradação, estas amostras mantiveram suas atividades fotocatalíticas sob radiação UV-Vis. O S,Nb15-TiO2 apresentou a maior constante de degradação aparente média ao longo dos cinco ciclos (10,3 ± 1,2 x 10-3 min-1). Isto ilustra o potencial de aplicação deste fotocatalisador na fotodegradação de compostos orgânicos. A codopagem com Nb e S melhorou as propriedades do TiO2. Novas investigações são necessárias para detalhar melhor o efeito destes dois elementos na atividade fotocatalítica do TiO2.

In this work, we investigated a microwave-assisted sol-gel synthetic procedure to obtain TiO2 photocatalysts with variable Nb content (0, 15, 30, 45, and 70% mol Nb) and/or fixed concentrations of nitrogen or sulphur (5% mol compared to the sum of Ti + Nb). Characterization techniques (X-ray diffraction, XRD; scanning electron microscopy, SEM; energy-dispersive spectroscopy, EDS; differential thermogravimetry, DTG; differential scanning calorimetry, DSC; Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR; and diffuse reflectance spectroscopy) suggested that Nb was incorporated into the TiO2 crystal lattice. On the other hand, evidence of N or S doping remained unclear. The prepared photocatalysts presented Egap values ranged from 3.09 to 3.23 eV, close to TiO2 Egap from literature (3.2 eV). We conducted experiments based on methanol oxidation as model reaction and C.I. Reactive Orange 107 (RO107) dye photodegradation to evaluate photocatalyst efficiency. The TiO2 samples with 15 and 30% mol Nb (Nb15-TiO2 and Nb30-TiO2, respectively) provided better methanol photooxidation rates (2.86 and 2.10 x 10-6 mol L-1 min-1) than pure TiO2 (1.65 x 10-6 mol L-1 min-1). Modification with higher Nb content (45 and 70% mol Nb) yielded poor photoactivity. The niobium and ammonium oxalate complex that was used as Nb precursor was partially degraded, which caused Nb to be partially incorporated into the TiO2 crystalline structure, resulting in amorphous materials. Samples containing sulfur or nitrogen (5% mol S or N) and 15 or 30% mol Nb co-doped TiO2 photocatalysts (Nb15-TiO2, S,Nb15-TiO2, N,Nb30-TiO2 and S,Nb30-TiO2) presented higher cristallinity, smaller particle aggregates and the best rates of methanol photocatalytic oxidation (from 2.58 to 2.91 x 10-6 mol L-1 min-1). The RO107 photocatalytic degradation with these photocatalysts after 6h of exposure with UV-Vis radiation furnished 87 to 99% of dye removal. Nb15-TiO2, S,Nb15-TiO2 and S,Nb30-TiO2 photocatalysts were subjected to Reactive Orange 107 dye photodegradation recycling experiments. Their photoactivity under UV-Vis light remained the same after five cycles. S,Nb15-TiO2 displayed the best apparent degradation constants after five cycles (average value of 10,3 ± 1,2 x 10-3 min-1). This illustrates how this photocatalyst is promising for degradation of organic pollutants. Nb and S co-doping improved TiO2 photocatalytic properties. Further investigations should be made in order to better detail how these two elements affect TiO2 photoactivity.