Pesquisadores criam nanoestruturas para degradação eficiente e sustentável de poluentes
Os nanocristais de Au-BiFeO3 são fotocatalisadores eficientes e sustentáveis para purificação ambiental, oferecendo insights sobre design avançado de materiais para utilização de energia solar. Crédito:Tokyo Tech A necessidade de soluções sustentáveis e amigas do ambiente acelerou a procura global de tecnologias verdes e renováveis. Neste sentido, os fotocatalisadores semicondutores surgiram como uma solução atraente, devido ao seu potencial na mitigação de poluentes e no aproveitamento eficiente da energia solar. Fotocatalisadores são materiais que iniciam reações químicas quando expostos à luz.
Apesar do seu progresso, os fotocatalisadores comumente usados sofrem de atividade fotocatalítica reduzida e uma faixa de operação estreita dentro do espectro de luz visível. Além disso, são difíceis de recuperar a partir de soluções à base de água, limitando suas aplicações em processos contínuos.
Ferrita de bismuto (BiFeO3 ), com seu estreito intervalo de banda e propriedades magnéticas, é um fotocatalisador alternativo atraente. O estreito intervalo de banda de BiFeO3 permite a utilização eficiente da luz na região visível para excitar elétrons da banda de valência para a banda de condução, deixando buracos vazios. Os elétrons e buracos excitados poderiam induzir reações químicas que levam à degradação de poluentes em uma solução aquosa.
Além disso, a propriedade ferromagnética permite fácil recuperação de BiFeO3 da solução. No entanto, semelhante aos fotocatalisadores comuns, BiFeO3 também sofre de rápida recombinação de pares elétron-buraco, limitando significativamente sua atividade fotocatalítica.
Para resolver esse problema, uma equipe de pesquisadores liderada pelo professor associado Tso-Fu Mark Chang, do Instituto de Pesquisa Inovadora do Instituto de Tecnologia de Tóquio, no Japão, desenvolveu um novo BiFeO3 nanocristais. O estudo foi publicado on-line na revista ACS Applied Nano Materials em 5 de abril.
Dr. Chang explica:"A incorporação de nanoestruturas de Au em BiFeO3 pode introduzir locais mais ativos para reações de fotodegradação, devido à ressonância plasmônica de superfície localizada única da nanopartícula de Au e à transferência dos elétrons excitados no BiFeO3 ao domínio de ouro suprime a recombinação de pares elétron-buraco. O recém-desenvolvido BiFeO3 decorado com Au os nanocristais aproveitam as características sinérgicas de ambos os mecanismos."
Os pesquisadores fabricaram o Au-BiFeO3 nanocristais através de um método de síntese hidrotérmica e um processo de solução simples para decorar BiFeO3 com diferentes quantidades de Au. A equipe otimizou a atividade fotocatalítica do Au-BiFeO3 nanocristais avaliando sua eficácia na degradação do azul de metileno (MB), um corante comum para jeans. O MB é altamente solúvel em água, representando um risco significativo para a vida aquática e a saúde humana. Isto também o torna o poluente ideal para testar a eficácia dos fotocatalisadores.
Experimentos revelaram que a amostra com 1,0% de Au em peso exibiu a melhor atividade, alcançando uma impressionante eficiência de degradação de 98% sob uma lâmpada de xenônio de 500 Watts em 120 minutos. Além disso, também manteve 80% da sua atividade original após quatro ciclos de 120 minutos, demonstrando excelente estabilidade. Além disso, houve efeito insignificante do Au nas propriedades magnéticas do BiFeO3 , sugerindo excelente reciclabilidade.
Os pesquisadores também estudaram os mecanismos pelos quais o Au aumenta a atividade fotocatalítica. Quando um Au-BiFeO3 nanocristal é iluminado por luz em comprimentos de onda adequados, elétrons em BiFeO3 estão entusiasmados com a banda de condução.
Ao contrário da recombinação que ocorre em BiFeO3 , a introdução de Au, que tem um nível de fermi menos negativo que a banda de condução de BiFeO3 , facilita a transferência de elétrons excitados da banda de condução para o domínio Au, promovendo assim o acúmulo de lacunas no BiFeO3 . Isso aumenta a atividade fotocatalítica do BiFeO3 , permitindo induzir mais facilmente a geração de radicais hidroxila em soluções aquosas. Estes radicais hidroxila são altamente ativos e atacam prontamente as moléculas de MB na solução aquosa, convertendo-as assim em produtos inofensivos.
"Essas descobertas melhoram nossa compreensão das interações ouro-semicondutores na fotocatálise e abrem caminho para o projeto e desenvolvimento de materiais nanocristais avançados", comenta o Dr. "No geral, nosso estudo destaca a atividade promissora e a reciclabilidade do Au-BiFeO3 , sublinhando o seu potencial na degradação eficiente e sustentável de poluentes ambientais."
