Fabbricazione di nanostrutture di TiO2/Fe2O3 drogate con azoto per l'ossidazione fotocatalitica di acque reflue a base di metanolo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4431 (2023) Citare questo articolo

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Un importante processo industriale che spesso avviene sulla superficie di un catalizzatore eterogeneo utilizzando materiali termochimici o fotochimici potrebbe aiutare nell’ossidazione delle acque reflue a base di metanolo in formaldeide. I fotocatalizzatori a base di Titania hanno suscitato molto interesse da parte degli scienziati perché sono un materiale catalizzatore affidabile ed economico per i processi di ossidazione fotocatalitica in presenza di energia luminosa. In questo studio è stato eseguito un metodo idrotermale semplice per la produzione di fotocatalizzatori compositi n-TiO2@α-Fe2O3 e nanocubi di ematite (α-Fe2O3). Regolando il rapporto di n-TiO2 nei fotocatalizzatori compositi preparati, è stata studiata l'influenza potenziante del titanio drogato con azoto sulle caratteristiche fotocatalitiche dei materiali preparati. I materiali preparati sono stati accuratamente caratterizzati utilizzando metodi fisico-chimici comuni, come il microscopio elettronico a trasmissione (TEM), il microscopio elettronico a scansione (SEM), la diffrazione di raggi X (XRD), i raggi X a dispersione di energia (EDX), la spettroscopia fotoelettronica a raggi X ( XPS), fisisorbimento (BET) e altri, per saperne di più sulla struttura. I risultati ottenuti hanno mostrato che la titania drogata con azoto supera le prestazioni della titania non drogata per la fotoossidazione del metanolo. L'aggiunta di titanio drogato con azoto alle loro superfici ha comportato un miglioramento ancora maggiore nei tassi di fotoossidazione del metanolo accoppiato con l'ematite. È stata effettuata la fotoossidazione del metanolo nella soluzione acquosa per simularne la concentrazione nelle acque reflue. Dopo 3 ore, il 4% in peso del fotocatalizzatore n-TiO2@α-Fe2O3 ha mostrato il tasso più alto di produzione di HCHO.

La rimozione di inquinanti dell'acqua come sostanze aromatiche, materiali a base di petrolio, idrocarburi clorurati, pesticidi, insetticidi, composti organici volatili (COV), coloranti e altri materiali organici utilizzando processi di ossidazione avanzata (AOP) è un metodo rispettoso dell'ambiente1. Hanno vita breve poiché si basano principalmente sulla produzione di specie reattive dell'ossigeno come i radicali idrossilici. Di conseguenza, interagiscono rapidamente e attivamente con una varietà di specie chimiche, molte delle quali sono difficili da degradare1. Inoltre, gli AOP sono stati utilizzati per il trattamento di molti tipi di acque reflue come tecnologia promettente in grado di ridurre efficacemente le concentrazioni di contaminanti organici recalcitranti e i prodotti di ossidazione creati, come anidride carbonica, acqua e sostanze organiche biodegradabili, sono termodinamicamente stabili, rendendoli superiori ad altri approcci tradizionali2. Gli AOP contengono il processo di fotocatalisi, che è fondamentale affinché un fotocatalizzatore raccolga la luce solare3,4. Quindi, in presenza di diverse gamme di spettro solare, questi fotocatalizzatori sono stati utilizzati con successo per affrontare problematiche legate all'inquinamento ambientale e alle crisi energetiche3,4.

Numerosi studi come5 sono stati condotti sull'ossidazione fotocatalitica di composti organici a CO2. Recentemente sono state fabbricate molte nuove nanoparticelle per applicazioni ambientali6. Il nanocatalizzatore e fotocatalizzatore più popolare allo stesso tempo è il titanio (TiO2) perché è facilmente disponibile e stabile in una varietà di impostazioni di reazione7. L'attivazione esclusiva della luce UV è uno dei maggiori inconvenienti del TiO2. È auspicabile disporre di fotocatalizzatori in grado di utilizzare la radiazione solare e la luce visibile con meno energia. Con un'energia band gap di 2,8 eV, l'ossido di tungsteno (WO3) può essere fotoattivato dalla luce blu (500 nm) ed è un sostituto adatto del TiO2 come fotocatalizzatore. Per aumentare la velocità catalitica, come nel caso di tutti i fotocatalizzatori, è necessario migliorare la separazione di carica di elettroni e lacune. La luce con sufficiente energia viene assorbita dai fotocatalizzatori di ossidi metallici come WO38,9 e TiO2 per provocare l'eccitazione del band gap e la generazione di elettroni reattivi (e−) e lacune (h+), che sono responsabili delle reazioni catalitiche10.