La necessità di soluzioni sostenibili e rispettose dell’ambiente ha accelerato la domanda globale di tecnologie verdi e rinnovabili. A questo proposito, i fotocatalizzatori semiconduttori sono emersi come una soluzione interessante, grazie al loro potenziale nel mitigare gli inquinanti e nello sfruttare l’energia solare in modo efficiente. I fotocatalizzatori sono materiali che avviano reazioni chimiche quando esposti alla luce.
Nonostante i loro progressi, i fotocatalizzatori comunemente utilizzati soffrono di una ridotta attività fotocatalitica e di un intervallo operativo ristretto all’interno dello spettro della luce visibile. Inoltre, sono difficili da recuperare dalle soluzioni a base acquosa, limitando le loro applicazioni nei processi continui.
Ferrite di bismuto (BiFeO3 ), con il suo stretto intervallo di banda e le sue proprietà magnetiche, è un interessante fotocatalizzatore alternativo. Lo stretto gap di banda di BiFeO3 consente un utilizzo efficiente della luce nella regione visibile per eccitare gli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione, lasciandosi dietro lacune vacanti. Sia gli elettroni che le lacune eccitati potrebbero indurre reazioni chimiche che portano alla degradazione degli inquinanti in una soluzione acquosa.
Inoltre, la proprietà ferromagnetica consente un facile recupero di BiFeO3 dalla soluzione. Tuttavia, simile ai comuni fotocatalizzatori, BiFeO3 soffre anche di una rapida ricombinazione delle coppie elettrone-lacuna, limitando significativamente la sua attività fotocatalitica.
Per affrontare questo problema, un team di ricercatori guidato dal professore associato Tso-Fu Mark Chang dell'Istituto di ricerca innovativa del Tokyo Institute of Technology, in Giappone, ha sviluppato un nuovo BiFeO3 decorato con nanoparticelle di oro (Au).> nanocristalli. Il loro studio è stato pubblicato online sulla rivista ACS Applied Nano Materials il 5 aprile.
Il Dr. Chang spiega:"L'incorporazione di nanostrutture di Au in BiFeO3 può introdurre più siti attivi per le reazioni di fotodegradazione, grazie all'esclusiva risonanza plasmonica superficiale localizzata delle nanoparticelle di Au e al trasferimento degli elettroni eccitati nel BiFeO3 al dominio dell’oro sopprime la ricombinazione delle coppie elettrone-lacuna. Il nuovo BiFeO3 decorato con Au i nanocristalli sfruttano le caratteristiche sinergiche di entrambi i meccanismi."
I ricercatori hanno fabbricato l'Au-BiFeO3 nanocristalli attraverso un metodo di sintesi idrotermale e un semplice processo di soluzione per decorare BiFeO3 con diversi importi di Au. Il team ha ottimizzato l'attività fotocatalitica dell'Au-BiFeO3 nanocristalli valutando la loro efficacia nel degradare il blu di metilene (MB), un comune colorante del denim. Il MB è altamente solubile in acqua, rappresentando un rischio significativo per la vita acquatica e la salute umana. Ciò lo rende anche l'inquinante ideale per testare l'efficacia dei fotocatalizzatori.
Gli esperimenti hanno rivelato che il campione con l'1,0% di Au in peso ha mostrato la migliore attività, raggiungendo un'impressionante efficienza di degradazione del 98% sotto una lampada allo xeno da 500 Watt entro 120 minuti. Inoltre, ha mantenuto l'80% della sua attività originaria anche dopo quattro cicli da 120 minuti, dimostrando un'eccellente stabilità. Inoltre, c'era un effetto trascurabile dell'Au sulle proprietà magnetiche di BiFeO3 , suggerendo un'eccellente riciclabilità.
I ricercatori hanno anche studiato i meccanismi mediante i quali l'Au potenzia l'attività fotocatalitica. Quando un Au-BiFeO3 il nanocristallo è illuminato dalla luce a lunghezze d'onda adeguate, elettroni in BiFeO3 sono entusiasti della banda di conduzione.
A differenza della ricombinazione che avviene nel nudo BiFeO3 , l'introduzione di Au, che ha un livello di fermi meno negativo rispetto alla banda di conduzione di BiFeO3 , facilita il trasferimento degli elettroni eccitati dalla banda di conduzione al dominio Au, favorendo così l'accumulo di lacune nel BiFeO3 . Ciò migliora l'attività fotocatalitica di BiFeO3 , consentendogli di indurre più facilmente la generazione di radicali idrossilici in soluzioni acquose. Questi radicali idrossilici sono altamente attivi e attaccano facilmente le molecole MB nella soluzione acquosa, convertendole così in prodotti innocui.
"Questi risultati migliorano la nostra comprensione delle interazioni oro-semiconduttore nella fotocatalisi e aprono la strada alla progettazione e allo sviluppo di materiali nanocristallini avanzati", osserva il dott. Chang. "Nel complesso, il nostro studio evidenzia l'attività promettente e la riciclabilità di Au-BiFeO3 , sottolineandone il potenziale in termini di degrado efficiente e sostenibile degli inquinanti ambientali."
Ulteriori informazioni: Jhen-Yang Wu et al, Proprietà fotocatalitiche regolabili di nanostrutture BiFeO3 decorate con Au per la fotodegradazione del colorante, Nanomateriali applicati ACS (2024). DOI:10.1021/acsanm.4c01702
Fornito dal Tokyo Institute of Technology
