Forskere skaber nanostrukturer til effektiv og bæredygtig nedbrydning af forurenende stoffer

Behovet for bæredygtige og miljøvenlige løsninger har accelereret den globale efterspørgsel efter grønne og vedvarende teknologier. I denne forbindelse er halvlederfotokatalysatorer dukket op som en attraktiv løsning på grund af deres potentiale til at afbøde forurenende stoffer og udnytte solenergi effektivt. Fotokatalysatorer er materialer, der starter kemiske reaktioner, når de udsættes for lys.

På trods af deres fremskridt lider almindeligt anvendte fotokatalysatorer af reduceret fotokatalytisk aktivitet og et snævert operationsområde inden for det synlige lysspektrum. Derudover er de svære at genvinde fra vandbaserede løsninger, hvilket begrænser deres anvendelse i kontinuerlige processer.

Bismuth ferrit (BiFeO₃ ), med dets smalle båndgab og magnetiske egenskaber, er en attraktiv alternativ fotokatalysator. Det smalle bånd mellem BiFeO₃ muliggør effektiv udnyttelse af lys i det synlige område til at excitere elektroner fra valensbåndet til ledningsbåndet, hvilket efterlader tomme huller. De exciterede elektroner og huller kan begge fremkalde kemiske reaktioner, der fører til nedbrydning af forurenende stoffer i en vandig opløsning.

Derudover muliggør den ferromagnetiske egenskab nem gendannelse af BiFeO₃ fra løsningen. Men i lighed med almindelige fotokatalysatorer, BiFeO₃ lider også af hurtig rekombination af elektron-hul-par, hvilket væsentligt begrænser dets fotokatalytiske aktivitet.

For at løse dette problem udviklede et team af forskere ledet af lektor Tso-Fu Mark Chang fra Institute of Innovative Research ved Tokyo Institute of Technology, Japan, en ny guld (Au) nanopartikel-dekoreret BiFeO₃ nanokrystaller. Deres undersøgelse blev offentliggjort online i tidsskriftet ACS Applied Nano Materials den 5. april.

Dr. Chang forklarer, "Inkorporeringen af ​​Au nanostrukturer i BiFeO₃ kan introducere mere aktive steder for fotonedbrydningsreaktioner på grund af Au nanopartikels unikke lokaliserede overfladeplasmonresonans og overførslen af ​​de exciterede elektroner i BiFeO₃ til gulddomænet undertrykker rekombinationen af ​​elektron-hul-par. Den nyudviklede Au-dekorerede BiFeO₃ nanokrystaller udnytter de synergistiske egenskaber ved begge mekanismer."

Forskerne fremstillede Au-BiFeO₃ nanokrystaller gennem en hydrotermisk syntesemetode og en simpel løsningsproces til at dekorere BiFeO₃ med forskellige mængder Au. Holdet optimerede den fotokatalytiske aktivitet af Au-BiFeO₃ nanokrystaller ved at evaluere deres effektivitet i nedbrydning af methylenblåt (MB), et almindeligt denimfarvestof. MB er meget opløseligt i vand, hvilket udgør en betydelig risiko for vandlevende organismer og menneskers sundhed. Dette gør det også til det ideelle forurenende stof til at teste effektiviteten af ​​fotokatalysatorer.

Eksperimenter afslørede, at prøven med 1,0% Au efter vægt udviste den bedste aktivitet og opnåede en imponerende 98% nedbrydningseffektivitet under en 500-Watt xenonlampe inden for 120 minutter. Desuden bibeholdt den også 80% af sin oprindelige aktivitet efter fire 120-minutters cyklusser, hvilket viser fremragende stabilitet. Derudover var der ubetydelig effekt af Au på de magnetiske egenskaber af BiFeO₃ , hvilket tyder på fremragende genanvendelighed.

Forskerne undersøgte også de mekanismer, hvormed Au øger fotokatalytisk aktivitet. Når en Au-BiFeO₃ nanokrystal belyses af lys ved passende bølgelængder, elektroner i BiFeO₃ er spændte på ledningsbåndet.

I modsætning til den rekombination, der forekommer i bare BiFeO₃ , introduktionen af ​​Au, som har et mindre negativt fermi-niveau end ledningsbåndet for BiFeO₃ , letter overførslen af ​​exciterede elektroner fra ledningsbåndet til Au-domænet og fremmer derved akkumuleringen af ​​huller i BiFeO₃ . Dette øger den fotokatalytiske aktivitet af BiFeO₃ , hvilket gør det lettere at inducere dannelsen af ​​hydroxyradikaler i vandige opløsninger. Disse hydroxylradikaler er meget aktive og angriber let MB-molekyler i den vandige opløsning og omdanner dem således til harmløse produkter.

"Disse resultater forbedrer vores forståelse af guld-halvleder-interaktioner i fotokatalyse og baner vejen for design og udvikling af avancerede nanokrystalmaterialer," bemærker Dr. Chang. "Samlet set fremhæver vores undersøgelse den lovende aktivitet og genanvendelighed af Au-BiFeO₃ , hvilket understreger dets potentiale inden for effektiv og bæredygtig nedbrydning af miljøforurenende stoffer."

Flere oplysninger: Jhen-Yang Wu et al., Tunable Photocatalytic Properties of Au-Decorated BiFeO3 Nanostructures for Dye Photodegradation, ACS Applied Nano Materials (2024). DOI:10.1021/acsanm.4c01702

Leveret af Tokyo Institute of Technology