16:17 2024-04-24 science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu

_ Cercetătorii creează nanostructuri pentru degradarea eficientă și durabilă a poluanților

_ Cercetătorii creează nanostructuri pentru degradarea eficientă și durabilă a poluanților

Nevoia de soluții durabile și ecologice a accelerat cererea globală de tehnologii verzi și regenerabile. În acest sens, fotocatalizatorii semiconductori au apărut ca o soluție atractivă, datorită potențialului lor de atenuare a poluanților și de valorificare eficientă a energiei solare. Fotocatalizatorii sunt materiale care inițiază reacții chimice atunci când sunt expuși la lumină.

În ciuda progresului lor, fotocatalizatorii utilizați în mod obișnuit suferă de activitate fotocatalitică redusă și de un interval de funcționare îngust în spectrul luminii vizibile. În plus, ele sunt greu de recuperat din soluții pe bază de apă, limitându-le aplicațiile în procese continue.

Feria de bismut (BiFeO3), cu bandă interzisă îngustă și proprietăți magnetice, este un fotocatalizator alternativ atractiv. Intervalul de bandă îngustă al BiFeO3 permite utilizarea eficientă a luminii în regiunea vizibilă pentru a excita electronii din banda de valență în banda de conducție, lăsând în urmă găuri libere. Ambele electroni și găurile excitate ar putea induce reacții chimice care duc la degradarea poluanților într-o soluție apoasă.

În plus, proprietatea feromagnetică permite recuperarea ușoară a BiFeO3 din soluție. Cu toate acestea, similar cu fotocatalizatorii obișnuiți, BiFeO3 suferă și de recombinarea rapidă a perechilor electron-gaură, limitându-și semnificativ activitatea fotocatalitică.

Pentru a aborda această problemă, o echipă de cercetători condusă de profesorul asociat Tso-Fu Mark Chang de la Institutul de Cercetare Inovatoare de la Institutul de Tehnologie din Tokyo, Japonia, a dezvoltat noi nanocristale BiFeO3 decorate cu nanoparticule de aur (Au). Studiul lor a fost publicat online în revista ACS Applied Nano Materials pe 5 aprilie.

Dr. Chang explică: „Încorporarea nanostructurilor Au în BiFeO3 poate introduce mai multe locuri active pentru reacțiile de fotodegradare, datorită rezonanței plasmonilor de suprafață localizate unice a nanoparticulelor Au, iar transferul electronilor excitați din BiFeO3 în domeniul aur suprimă recombinarea electronului- perechi de găuri. Nanocristalele BiFeO3 decorate cu Au profită de caracteristicile sinergice ale ambelor mecanisme.”

Cercetătorii au fabricat nanocristale de Au-BiFeO3 printr-o metodă de sinteză hidrotermală și un proces simplu de soluție pentru a decora BiFeO3 cu diferite cantități de Au. Echipa a optimizat activitatea fotocatalitică a nanocristalelor Au-BiFeO3 prin evaluarea eficacității acestora în degradarea albastrului de metilen (MB), un colorant comun pentru denim. MB este foarte solubil în apă, prezentând un risc semnificativ pentru viața acvatică și sănătatea umană. Acest lucru îl face, de asemenea, poluantul ideal pentru a testa eficacitatea fotocatalizatorilor.

Experimentele au arătat că proba cu 1,0% Au în greutate a prezentat cea mai bună activitate, realizând o eficiență impresionantă de degradare de 98% sub un xenon de 500 Watt. lampă în 120 de minute. Mai mult, și-a păstrat 80% din activitatea inițială după patru cicluri de 120 de minute, demonstrând o stabilitate excelentă. În plus, a existat un efect neglijabil al Au asupra proprietăților magnetice ale BiFeO3, sugerând o reciclabilitate excelentă.

Cercetătorii au studiat și mecanismele prin care Au crește activitatea fotocatalitică. Când un nanocristal Au-BiFeO3 este iluminat de lumină la lungimi de undă adecvate, electronii din BiFeO3 sunt excitați în banda de conducție.

Spre deosebire de recombinarea care are loc în BiFeO3 gol, introducerea Au, care are un nivel fermi mai puțin negativ decât banda de conducere a BiFeO3, facilitează transferul electronilor excitați din banda de conducere în domeniul Au, promovând astfel acumularea de găuri în BiFeO3. Acest lucru îmbunătățește activitatea fotocatalitică a BiFeO3, permițându-i să inducă mai ușor generarea de radicali hidroxi în soluții apoase. Acești radicali hidroxil sunt foarte activi și atacă ușor moleculele de MB din soluția apoasă, transformându-le astfel în produse inofensive.

„Aceste descoperiri ne îmbunătățesc înțelegerea interacțiunilor aur-semiconductor în fotocataliză și deschid calea pentru proiectare. și dezvoltarea de materiale nanocristale avansate”, remarcă dr. Chang. „În general, studiul nostru evidențiază activitatea promițătoare și reciclabilitatea Au-BiFeO3, subliniind potențialul său în degradarea eficientă și durabilă a poluanților din mediu.”

(Fluierul)

Inapoi