Nuova luce sulle prestazioni fotocatalitiche di NH4V4O10 e del suo composito con rGO

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3946 (2023) Citare questo articolo

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La fotocatalisi a energia solare ha mostrato un grande potenziale come tecnologia sostenibile per il trattamento delle acque reflue che utilizza energia solare pulita per la degradazione degli inquinanti. Di conseguenza, viene prestata molta attenzione allo sviluppo di materiali fotocatalizzatori nuovi, efficienti e a basso costo. In questo studio, riportiamo l'attività fotocatalitica di NH4V4O10 (NVO) e del suo composito con rGO (NVO/rGO). I campioni sono stati sintetizzati tramite un semplice metodo idrotermale one-pot e caratterizzati con successo utilizzando XRD, FTIR, Raman, XPS, XAS, TG-MS, SEM, TEM, adsorbimento di N2, PL e UV‒vis DRS. I risultati indicano che i fotocatalizzatori NVO e NVO/rGO ottenuti hanno mostrato un assorbimento efficiente nella regione della lunghezza d'onda visibile, un alto contenuto di specie superficiali V4+ e un'area superficiale ben sviluppata. Tali caratteristiche hanno portato a prestazioni eccellenti nella fotodegradazione del blu di metilene sotto illuminazione solare simulata. Inoltre, il composito di NH4V4O10 con rGO accelera la fotoossidazione del colorante ed è vantaggioso per la riutilizzabilità del fotocatalizzatore. Inoltre, è stato dimostrato che il composito NVO/rGO può essere utilizzato con successo non solo per la fotoossidazione dell'inquinamento organico ma anche per la fotoriduzione degli inquinanti inorganici come il Cr(VI). Infine, è stato condotto un esperimento di cattura attiva delle specie ed è stato discusso il meccanismo di fotodegradazione.

La crescita della popolazione e la rapida urbanizzazione influiscono negativamente sull’ambiente acquatico. Ogni giorno, le industrie, l’agricoltura e le famiglie generano grandi quantità di acque reflue che possono inquinare fiumi, laghi e mari. Una delle maggiori preoccupazioni riguarda le contaminazioni organiche come coloranti o antibiotici, che solitamente sono tossici e non biodegradabili1. Anche basse concentrazioni di coloranti nei sistemi idrici possono essere molto pericolose per la vita acquatica a causa del blocco della luce solare necessaria per la fotosintesi2,3. Un altro gruppo pericoloso di inquinanti è quello degli ioni di metalli pesanti, che sono altamente solubili negli ambienti acquatici e non biodegradabili e quindi tendono ad accumularsi negli organismi viventi direttamente o attraverso la catena alimentare4. L’effetto tossico di molti metalli pesanti è indiscutibile e, in molti casi, l’esposizione a tracce di questi metalli può causare gravi danni alla salute umana e all’ecosistema5. Ad esempio, il Cr(VI) è altamente cancerogeno. L'Agenzia statunitense per la protezione dell'ambiente lo ha inserito tra i primi 20 nell'elenco prioritario delle sostanze pericolose6, mentre il limite di sicurezza raccomandato dall'OMS per il Cr(VI) nell'acqua potabile è pari a 0,1 ppm7. Purtroppo, le acque reflue industriali provenienti dalla produzione di vernici, carta, conservanti o dal trattamento superficiale dei metalli (galvanica) possono ancora essere elencate come la principale fonte di Cr(VI). Pertanto, è molto importante rimuovere gli inquinanti sopra menzionati dalle acque reflue e proteggere l'ambiente. Sono stati proposti molti metodi di trattamento delle acque reflue, come adsorbimento, filtrazione, coagulazione o degradazione fotocatalitica8. In particolare quest'ultimo è molto promettente poiché non solo rimuove le contaminazioni ma ne provoca anche la decomposizione. Pertanto, rispetto ad altri metodi diffusi in cui i contaminanti vengono trasferiti da una fase all’altra, la fotocatalisi vince per l’assenza di inquinamento secondario. Inoltre, il processo è solitamente veloce, spesso utilizza una fonte di luce naturale e può essere eseguito in condizioni ambientali. A causa dei vantaggi di cui sopra, la ricerca e lo sviluppo di nuovi materiali fotocatalitici è un importante argomento di ricerca in corso9,10. Tra i vari materiali, gli ossidi metallici sono stati ampiamente studiati per la fotodegradazione degli inquinanti dell'acqua11,12. Gli ossidi a base di vanadio sono particolarmente promettenti per la loro efficiente capacità di raccolta della luce visibile (grazie al loro stretto intervallo di banda, Eg ̴2eV), elevata stabilità chimica e significativa attività catalitica13,14. Molti vanadati metallici sono stati proposti come promettenti fotocatalizzatori azionati dal sole. Gli esempi includono Cu3V2O815, Ag3VO4/AgVO316, InVO417 o BiVO418, che sono i catalizzatori più noti in questo campo. Recentemente, abbiamo proposto di utilizzare un semplice sale di potassio (formiato di potassio) come alternativa promettente per la sintesi di fotocatalizzatori guidati dalla luce visibile. I vanadati di potassio ottenuti (KV3O8, K2V6O16•nH2O) hanno mostrato un'eccellente attività fotocatalitica, con conseguente degradazione di oltre il 90% del blu di metilene (MB) entro i primi 30 minuti19.