Valutazione delle proprietà superficiali ed elettriche dei materiali ibridi TiO2@zeolite

Jan 06, 2024

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3650 (2023) Citare questo articolo

La degradazione degli inquinanti nel mezzo acquoso è di grande interesse a causa dell'impatto sull'ambiente e sulla salute umana, pertanto, la progettazione e lo studio delle proprietà fisico-chimiche dei fotocatalizzatori per la bonifica delle acque sono di grande importanza. Tra le proprietà del fotocatalizzatore, quelle legate alla superficie e al meccanismo elettrico sono cruciali per le prestazioni del fotocatalizzatore. Qui riportiamo le caratteristiche chimiche e morfologiche del fotocatalizzatore TiO2@zeolite rispettivamente mediante spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) e microscopia elettronica a scansione (SEM), ed è stato proposto un meccanismo di conduzione elettrica coerente basato sui dati ottenuti dalla spettroscopia di impedenza laser assistita (ALIS ), in cui la zeolite è stata sintetizzata dalle ceneri volanti di carbone riciclate. I risultati ottenuti tramite SEM e XPS hanno verificato la presenza di particelle sferiche di TiO2 anatasio con presenza dello stato Ti3+. I risultati di ALIS hanno mostrato che l’impedenza dell’intero sistema aumenta quando la quantità di TiO2 aumenta e i campioni con prestazioni capacitive inferiori hanno consentito un maggiore trasferimento delle cariche tra l’interfaccia solido-liquido. Tutti i risultati hanno mostrato che le prestazioni fotocatalitiche più elevate della crescita di TiO2 rispetto all'idrossisodalite con 8,7% in peso e 25% in peso di TiO2 possono essere spiegate principalmente in termini di morfologia del TiO2 e di interazioni tra substrato e TiO2.

Tra i coloranti, gli azocomposti sono ampiamente utilizzati nelle industrie alimentari e tessili, una notevole quantità di acque reflue di tali industrie vengono rilasciate nell'ambiente e rappresentano un pericolo per l'uomo e la vita acquatica1,2. Grazie all'elevata stabilità chimica dei coloranti, i processi di ossidazione avanzati che utilizzano la fotocatalisi eterogenea consentono la purificazione di questa classe di acque reflue3. Tra i fotocatalizzatori, il TiO2 è uno dei più utilizzati nella fotodegradazione degli inquinanti grazie alle sue proprietà quali elevata efficienza di ossidazione, inerzia chimica e biologica, elevata fotostabilità, facilità di produzione e utilizzo rispetto ad altri, costo relativamente basso e rispettoso dell'ambiente4,5; quindi il TiO2 è stato utilizzato ed è tuttora studiato come materiale fondamentale per migliorare i processi fotocatalizzatori6,7,8,9,10,11,12,13. Per migliorare le prestazioni del TiO2, questo viene coltivato e disperso su un substrato adeguato creando un materiale ibrido che utilizza le proprietà sia del TiO2 che del substrato. Uno dei substrati utilizzati per immobilizzare il TiO2 è la zeolite, che è un alluminosilicato idrato costituito da unità tetraedriche TO4 (T = Si, Al) legate tramite un atomo di ossigeno; generano una struttura tridimensionale con cavità interne e pori di dimensioni molecolari interconnesse da canali. A causa del diverso stato di ossidazione degli ioni Al (+3) e Si (+4) si forma una carica negativa che viene neutralizzata dai cationi scambiabili (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) e dalle molecole d'acqua adsorbite che vengono posizionati nei canali o nelle gabbie della struttura14,15. Le zeoliti sono di origine naturale o sintetica e vengono utilizzate in numerose applicazioni come l'agricoltura16, la sanità17, gli idrocarburi18 e il trattamento dell'inquinamento19. Le zeoliti sintetiche possono essere sintetizzate da materiali di scarto come scarti di vetro e alluminio20, ceneri volanti di carbone (CFA)21, rifiuti di litio22 e lolla di riso23, tra gli altri, principalmente mediante metodo idrotermale. La capacità del fotocatalizzatore di degradare gli inquinanti mediante materiali TiO2@zeolite è dovuta alla proprietà della coppia elettrone-lacuna, promossa dall'adsorbimento della luce da parte del TiO2, di produrre radicali liberi in mezzo acquoso, radicali capaci di ossidare composti organici come coloranti azoici4, 5. L’efficienza della fotocatalisi del TiO2 dipende dal numero di radicali liberi prodotti, che è influenzato principalmente dalla capacità di adsorbimento e dalla ricombinazione della lacuna-elettrone. La dispersione del TiO2 in una zeolite cerca di risolvere eventuali difficoltà del TiO2 – come la riduzione del tasso di ricombinazione elettrone-lacuna –, aumenta l'adsorbimento e facilita il recupero da una soluzione liquida24. Secondo la revisione della letteratura, è stata segnalata la produzione di materiali ibridi di TiO2@zeolite principalmente con zeolite commerciale25,26,27,28; tuttavia, la letteratura relativa all'uso della zeolite sintetizzata dalle ceneri volanti di carbone per la produzione di TiO2@zeolite è scarsa24,29, di conseguenza ancora manca la comprensione del meccanismo coinvolto per le applicazioni di fotocatalisi in quei materiali.