Degradazione fotocatalitica efficiente degli inquinanti organici su nanoparticelle di TiO2 modificate con azoto e MoS2 sotto irradiazione di luce visibile

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8845 (2023) Citare questo articolo

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Studiare l'uso della luce visibile per migliorare la degradazione fotocatalitica degli inquinanti organici nelle acque reflue. Nanocompositi di titanio e solfuro di molibdeno drogati con azoto (NTM NC) con diversi rapporti in peso di MoS2 (1, 2 e 3 in peso%) sintetizzati mediante un metodo allo stato solido applicato alla fotodegradazione del blu di metilene (MB) sotto irradiazione di luce visibile. I compositi NTM sintetizzati sono stati caratterizzati mediante spettroscopia SEM, TEM, XRD, FT-IR, UV-Vis, DRS e PL. I risultati hanno mostrato una maggiore attività dei nanocristalli ibridi NTM nell’ossidazione del MB in acqua sotto irradiazione con luce visibile rispetto al TiO2 puro. Le prestazioni fotocatalitiche dei campioni NTM sono aumentate con il contenuto di MoS2. I risultati mostrano che l'efficienza di fotodegradazione del composto TiO2 è migliorata dal 13 all'82% in presenza di N-TiO2 e al 99% in presenza di MoS2 contenente N-TiO2, che è 7,61 volte superiore a quella del TiO2. I risultati della caratterizzazione ottica mostrano un migliore assorbimento dei nanocompositi nella regione visibile con lunghe durate tra e/h+ con un rapporto N-TiO2/MoS2 (NTM2) ottimale. Esperimenti riutilizzabili hanno indicato che i fotocatalizzatori NTM NC preparati erano stabili durante la fotodegradazione MB e avevano applicazioni pratiche per la bonifica ambientale.

Le industrie tessile, cartaria, cosmetica, farmaceutica e alimentare fanno tutte un ampio uso di coloranti colorati 1,2,3. Per cause ben precise, l’acqua contaminata dai coloranti, soprattutto quella proveniente dall’industria tessile, è difficile da eliminare. La maggior parte di questi coloranti sono di origine sintetica e solitamente sono costituiti da anelli aromatici nella loro struttura molecolare, inerti e non biodegradabili se scaricati nelle acque reflue senza un adeguato trattamento4,5. Pertanto, la rimozione di tali coloranti dall'acqua inquinata è estremamente urgente in termini di protezione della salute umana e delle risorse ambientali 6. Si ritiene che il blu di metilene (MB), il colorante di base più comunemente utilizzato, abbia molteplici usi nell'industria della stampa e della tintura 7. Secondo secondo un rapporto, l’industria tessile rappresenta circa il 67% del mercato e/o consumo di coloranti, con 120 metri cubi di acque reflue industriali scaricate per ogni tonnellata di fibra prodotta. Nonostante l’importanza del MB in molti settori, la sua presenza nell’ambiente e nella salute umana può essere compromessa se non gestita in modo efficace. In cui MB è cancerogeno e non si degrada a causa della caratteristica stabilità degli anelli aromatici nella struttura molecolare di MB. Per il trattamento delle acque reflue di tintura sono riconosciute le tradizionali tecniche biologiche, chimiche e fisiche come l'adsorbimento e la precipitazione chimica. Questi metodi sono costosi, formano fanghi o generano inquinanti secondari, come l'adsorbimento del colorante su carbone attivo, dove l'inquinante si converte solo dalla fase liquida a quella solida, causando inquinamento. infezione secondaria. Di conseguenza, la decomposizione dei coloranti in composti non tossici è essenziale e consigliata8,9,10,11. I processi di ossidazione avanzata (AOP) stanno attualmente attirando molta attenzione nel campo del trattamento delle acque 12. Per prolungare la durata delle coppie elettrone-lacuna fotogenerate, fotocatalizzatori ibridi composti da eterogiunzioni semiconduttrici14,15. I semiconduttori sono stati utilizzati negli AOP per degradare fotocataliticamente i contaminanti organici, in particolare quelli con la capacità di assorbire la luce visibile, a causa delle loro bande proibite 13,14,15,16,17,18. Tra i semiconduttori fotocatalitici, il biossido di titanio (TiO2) ha suscitato grande interesse grazie alla sua capacità di decomporre prontamente gli inquinanti organici, forte capacità ossidante, bassa tossicità, stabilità chimica, basso costo e disponibilità19,20. Le prestazioni fotocatalitiche del TiO2 sono determinate principalmente dalla durata delle coppie elettrone-lacuna fotogenerate, ma il rapido tasso di ricombinazione delle coppie elettrone-lacuna nel TiO2 ne limita l'applicazione nella fotocatalisi21. Per prolungare la durata delle coppie elettrone-lacuna fotogenerate, fotocatalizzatori ibridi composti da semiconduttori le etero-giunzioni dovrebbero sopprimere la veloce velocità di ricombinazione dei portatori di carica fotogenerati 22,23. A questo proposito, sono stati fatti molti sforzi per ridurre il band gap e migliorare la sua attività fotocatalitica 24,25. Un materiale riconosciuto per estendere la gamma di fotorisposta alla luce visibile consiste nel drogare TiO2 con un drogante non metallico, l'azoto 26,27. La combinazione di TiO2 e azoto a diversi livelli energetici migliora l’efficienza della separazione elettrone-lacuna e migliora l’efficienza della reazione fotocatalitica. Inoltre, combinando TiO2 con altri semiconduttori con bandgap come MoS2, è possibile creare fotocatalizzatori eterogenei. Il MoS2 è un materiale atossico, altamente stabile, fortemente ossidante e relativamente economico. Grazie alla sua ampia area superficiale, il MoS2 può agire come un eccellente catalizzatore per N-TiO228,29. MoS2 mostra una larghezza di banda sintonizzabile dipendente dallo strato, una larghezza di banda indiretta di 1,2 eV, una larghezza di banda diretta di 1,9 eV e un'elevata attività catalitica teorica 30,31. A causa della loro banda proibita, i semiconduttori sono stati utilizzati negli AOP per degradare fotocataliticamente gli inquinanti organici, in particolare quelli con la capacità di assorbire la luce visibile. La combinazione di N-TiO2 e MoS2 a diversi livelli energetici migliora l'efficienza della separazione elettrone-lacuna e aumenta l'efficienza di la reazione fotocatalitica 32,33. Il lavoro qui presentato si concentra sulla fotodegradazione guidata dalla luce visibile di coloranti contaminanti, in particolare coloranti blu di metilene (MB), in CO2 e H2O rispettosi dell'ambiente. nuovo etero-nanocomposito di N-TiO2/MoS2 (NTM) come fotocatalizzatore che utilizza un metodo allo stato solido con sintesi a bassa temperatura, efficienza in termini di costi e facile controllo della cinetica di reazione rispetto ad altri metodi. Inoltre, le proprietà fisico-chimiche dei campioni ottenuti sono state ampiamente studiate per scoprire l'eccellente attività fotocatalitica per la decomposizione del MB sotto radiazione di luce visibile rispetto al TiO2 puro. L'NTM sintetizzato ha dimostrato di essere un efficace fotocatalizzatore per applicazioni nella protezione ambientale.