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Jul 23, 2023

Approccio ingegneristico bandgap per la progettazione dell'eterogiunzione CuO/Mn3O4/CeO2 come nuovo fotocatalizzatore per AOP

Scientific Reports volume 13, Numero articolo: 3009 (2023) Cita questo articolo 1336 Accessi 3 Citazioni Dettagli metriche Un nanoibrido ternario CuO/Mn3O4/CeO2 è stato sviluppato nel presente lavoro utilizzando un

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3009 (2023) Citare questo articolo

1336 accessi

3 citazioni

Dettagli sulle metriche

Nel presente lavoro è stato sviluppato un nanoibrido ternario CuO/Mn3O4/CeO2 utilizzando un metodo idrotermale assistito da co-precipitazione. La struttura, la morfologia, la composizione elementare, gli stati elettronici degli elementi e le proprietà ottiche del fotocatalizzatore progettato sono stati studiati utilizzando tecniche analitiche corrispondenti. I risultati di PXRD, TEM/HRTEM, XPS, EDAX e PL hanno mostrato che si era formata la nanostruttura desiderata. Utilizzando il grafico del gap di banda energetica di Tauc, è stato determinato che il gap di banda delle nanostrutture era di ~ 2,44 eV, il che mostrava che i margini di banda delle varie frazioni, CeO2, Mn3O4 e CuO, erano stati modificati. Pertanto, il miglioramento delle condizioni redox ha portato ad una sostanziale diminuzione del tasso di ricombinazione delle coppie elettrone-lacuna, il che è stato ulteriormente spiegato da uno studio di PL in cui la separazione di carica gioca un ruolo chiave. Sotto esposizione all'irradiazione della luce visibile per 60 minuti, è stato rivelato che il fotocatalizzatore raggiungeva il 98,98% di efficienza di fotodegradazione per il colorante verde malachite (MG). Il processo di fotodegradazione è proceduto secondo un modello cinetico di reazione di pseudo-primo ordine con un'eccellente velocità di reazione di 0,07295 min−1 con R2 = 0,99144. Sono stati studiati gli impatti di diverse variabili di reazione, sali inorganici e matrici acquose. Questa ricerca mira a creare un fotocatalizzatore nanoibrido ternario con elevata fotostabilità, attività dello spettro visibile e riutilizzabilità fino a quattro cicli.

Molte professioni e industrie utilizzano coloranti organici, inclusi tessuti, fogli di plastica, pelletteria, prodotti medici, cura della pelle e alimenti, per colorare i loro prodotti e rilasciare i loro effluenti nell'ecosistema senza alcuna cura primaria1,2. Questi inquinanti organici colorati sono pericolosi per l'ambiente acquatico e la salute umana3,4,5. Questi coloranti impediscono alla luce solare di penetrare nei corsi d'acqua, rallentano il fenomeno fotosintetico nell'ecosistema acquatico e possono interagire con i metalli ionici per formare complessi chelanti, che portano alla tossicità degli esseri viventi6. Il verde malachite (MG), un colorante cationico, viene utilizzato in molti settori come colorante per pelletteria, tessuti e articoli di lana e nell'industria della pesca come antiparassitario (Fig. 1). Tuttavia, è noto che la MG è una tossina cancerogena e può danneggiare gravemente la salute umana anche a concentrazioni minori (1 mg L−1)7,8,9,10. Sono state adottate iniziative per mantenere l'acqua libera da questi coloranti organici dannosi come il colorante MG. In questo contesto, la produzione di un efficace fotocatalizzatore di dimensioni nanometriche ha suscitato molto interesse11,12.

Struttura chimica del colorante verde malachite (MG).

A differenza di altri approcci al trattamento delle acque reflue, come filtrazione, sedimentazione, coagulazione, adsorbimento, ecc., la degradazione fotocatalitica abbatte completamente gli inquinanti organici. Non produce sottoprodotti tossici che si sono rivelati resistenti ad altri approcci di trattamento dell'acqua13,14. Ulteriori studi nel campo della fotocatalisi hanno portato allo sviluppo di un nuovo metodo ossidativo, considerato il processo di ossidazione avanzata (AOP). Queste tecniche mirano ad abbattere completamente gli inquinanti organici pericolosi come il verde malachite, generando specie reattive dell'ossigeno15,16.

L'eliminazione degli inquinanti organici recalcitranti dai corpi idrici è stata ottenuta utilizzando un tipo di AOP chiamato fotocatalisi eterogenea17,18. CeO2 è un semiconduttore con mobilità elettronica efficiente, un gap di banda di ~ 3,27 eV, eccellente stabilità elettrochimica e un buon punto isoelettrico di 9 per i sistemi catalitici19,20,21. Nonostante i molteplici vantaggi, l’ampio gap di banda ne limita l’applicabilità nell’irradiazione nella regione della banda UV22. Inoltre, è stato dimostrato che la sua funzione di fotocatalizzatore è compromessa da un'eccessiva ricombinazione elettrone-lacuna23,24. Sarebbe necessario regolare con precisione il gap di banda del CeO2 combinando diversi semiconduttori (ossidi metallici) con gap di banda inferiori e bordi di banda destri per mantenere una sostanziale separazione delle coppie elettrone-lacuna fotogenerate25,26. Il CeO2, nella sua forma più pura, ha un gap di banda di circa 3,2 eV. Le nanoparticelle pure di CeO2 non possono catturare in modo efficiente la luce visibile perché l’irradiazione ricevuta non ha l’energia necessaria per produrre portatori di carica27.