Nedbrydende BPA med synligt lys og en ny hybrid fotokatalysator

I løbet af det sidste halve århundrede, BPA er gået fra mirakel til trussel. Dens popularitet steg efter 1950'erne, da videnskabsmænd opdagede, at det kunne bruges til at fremstille polycarbonatplastik - en hård, holdbar, og gennemsigtigt materiale perfekt til alt fra vandflasker til medicinsk udstyr.

Men for nylig, at den skyhøje succes har forsuret sig:en voksende mængde af beviser tyder på, at selv lave doser af BPA kan være skadelige for menneskers og miljøets sundhed. Det er klassificeret som en hormonforstyrrende forbindelse, et stof, der kan afspore kroppens hormonbalance og potentielt forårsage kræft eller fosterskader.

Mange producenter udfaser BPA af deres produkter, især opbevaringsbeholdere til mad og drikkevarer, men det er stadig en kæmpe industri. Desuden, BPA nedbrydes ikke let, gør det svært at bortskaffe materialet sikkert. Hvis den igler i vandløb, det kan blive ved som et miljøgift.

Nu, forskere har udviklet en ny hybrid fotokatalysator, der kan nedbryde BPA ved hjælp af synligt lys. Deres resultater, offentliggjort i denne uge i tidsskriftet APL materialer , fra AIP Publishing, kunne i sidste ende bruges til at behandle vandforsyninger og til mere sikker bortskaffelse af BPA og lignende materialer.

Sådan fungerer den nye katalysator

Deres nye materiale nedbryder BPA gennem fotokatalytisk oxidation, en proces, hvor lys aktiverer en oxiderende kemisk reaktion. Når lys rammer en fotokatalysator som titaniumdioxid (TiO2) nanopartikler, energistødet kan sparke en af ​​dens elektroner op til en ophidset tilstand og skabe en ladningsfordelingsubalance. Ved elektronbåndet med højere energi, der er nu et overskud af negativ ladning på grund af tilføjelsen af ​​en elektron. I mellemtiden ved det lavere energielektronbånd, der er et overskud af positiv ladning (kendt som et "hul"), fordi en elektron er forladt. I denne ophidsede, ubalanceret tilstand, TiO2 kan katalysere oxidation og reduktion af materialer omkring det. Den exciterede elektron vil have en tendens til at forlade TiO2 for at reducere noget i nærheden, mens hullet vil hjælpe et andet stof til at oxidere ved at acceptere en af ​​dets elektroner.

Imidlertid, ren TiO2 har et stort båndgab – dvs. det kræver en hel del energi at excitere elektroner fra et niveau til et andet - og viser kun fotokatalytiske egenskaber under ultraviolet lys. Plus, den exciterede elektron har en tendens til hurtigt at falde ned igen og rekombinere med hullet, giver katalysatoren lidt tid i sin exciterede tilstand til at inducere en reaktion.

For at gøre TiO2 nanopartikler til en bedre fotokatalysator, forskerne lavede flere ændringer. Først, de tilføjede sølv til overfladen af ​​nanopartiklerne, en almindelig teknik til at forbedre ladningsadskillelsen. Når lys rammer TiO2 og exciterer en af ​​dets elektroner, sølvet vil trække den elektron væk, så den ikke kan falde tilbage ned i hullet. Hullet kan så lettere hjælpe med en oxidationsreaktion.

Tilsætningen af ​​sølv ændrede også bølgelængden, ved hvilken fotokatalysatoren blev exciteret ved at inducere lokaliserede overfladeplasmonresonanseffekter - et fænomen, hvor energiske elektroner på overfladen af ​​et materiale vibrerer ved en specifik frekvens og forbedrer lysabsorptionen over et snævert bølgelængdeområde. I dette tilfælde, sølvet flyttede den bølgelængde af lys, der var nødvendig for at aktivere fotokatalysatoren mod det synlige lysspektrum.

"Inkluderingen af ​​et ædelmetal [som sølv] i den ultraviolet-responsive TiO2 har betydeligt udvidet spektret mod det synlige lys gennem lokaliserede overfladeplasmonresonanseffekter, " sagde Pichiah Saravanan, en forsker fra University of Malaya, der leder projektet.

Derefter, de pakkede Ag/TiO2 nanopartiklerne ind i plader af reduceret grafenoxid (RGO), et tyndt lag kulstofatomer arrangeret i et bikagemønster. Ligesom sølvet, tilføjelsen af ​​RGO hjalp hullet med at bestå ved at acceptere exciterede elektroner fra TiO2. Det reducerede også nanopartiklernes båndgab, mindske mængden af ​​energi, der er nødvendig for at aktivere fotokatalysatoren.

Da forskerne blandede hybridnanopartiklerne med BPA-opløsning under en kunstig synlig lyskilde, de fandt ud af, at BPA oxiderede og nedbrydes meget mere effektivt, end det gjorde uden katalysatoren til stede. Desuden, RGO-Ag-TiO2 nanopartiklerne klarede sig bedre end dem, hvor RGO eller Ag alene blev tilføjet til TiO2, hvilket tyder på, at begge modifikationer spillede en rolle i den øgede katalytiske aktivitet under synligt lys.

Til sidst, holdet håber at kunne bruge deres resultater til at hjælpe med at nedbryde BPA og andre forurenende stoffer i vandforsyninger. "Vi føler stærkt, at den udviklede nano-fotokatalysator kan være et af de nanomaterialer, der bæredygtigt kan løse dette problem, " sagde Saravanan.