Onderzoekers creëren nanostructuren voor efficiënte en duurzame afbraak van verontreinigende stoffen

De behoefte aan duurzame en milieuvriendelijke oplossingen heeft de mondiale vraag naar groene en hernieuwbare technologieën versneld. In dit opzicht zijn halfgeleiderfotokatalysatoren een aantrekkelijke oplossing gebleken, vanwege hun potentieel bij het verminderen van verontreinigende stoffen en het efficiënt benutten van zonne-energie. Fotokatalysatoren zijn materialen die bij blootstelling aan licht chemische reacties initiëren.

Ondanks hun vooruitgang lijden veelgebruikte fotokatalysatoren onder verminderde fotokatalytische activiteit en een smal werkingsbereik binnen het zichtbare lichtspectrum. Bovendien zijn ze moeilijk te winnen uit oplossingen op waterbasis, waardoor hun toepassingen in continue processen worden beperkt.

Bismutferriet (BiFeO₃), met zijn smalle bandafstand en magnetische eigenschappen, is een aantrekkelijke alternatieve fotokatalysator. De smalle bandafstand van BiFeO₃ maakt een efficiënt gebruik van licht in het zichtbare gebied mogelijk om elektronen van de valentieband naar de geleidingsband te exciteren, waardoor lege gaten achterblijven. De aangeslagen elektronen en gaten kunnen beide chemische reacties veroorzaken die leiden tot de afbraak van verontreinigende stoffen in een waterige oplossing.

Bovendien maakt de ferromagnetische eigenschap een gemakkelijke terugwinning van BiFeO mogelijk₃ uit de oplossing. Echter, vergelijkbaar met gewone fotokatalysatoren, BiFeO₃ lijdt ook aan snelle recombinatie van elektron-gatparen, waardoor de fotokatalytische activiteit ervan aanzienlijk wordt beperkt.

Om dit probleem aan te pakken, heeft een team van onderzoekers onder leiding van universitair hoofddocent Tso-Fu Mark Chang van het Institute of Innovative Research van het Tokyo Institute of Technology, Japan, nieuwe met goud (Au) nanodeeltjes versierde BiFeO ontwikkeld.₃ nanokristallen. Hun onderzoek werd online gepubliceerd in het tijdschrift ACS toegepaste nanomaterialen op 5 april.

Dr. Chang legt uit: “De integratie van Au-nanostructuren in BiFeO₃ kan actievere plaatsen introduceren voor fotodegradatiereacties, dankzij de unieke gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie van Au-nanodeeltjes en de overdracht van de aangeslagen elektronen in de BiFeO₃ naar het gouddomein onderdrukt de recombinatie van elektron-gatparen. De nieuw ontwikkelde Au-ingerichte BiFeO₃ nanokristallen maken gebruik van de synergetische kenmerken van beide mechanismen.”

De onderzoekers vervaardigden de Au-BiFeO₃ nanokristallen via een hydrothermische synthesemethode en een eenvoudig oplossingsproces om BiFeO te versieren₃ met verschillende hoeveelheden Au. Het team optimaliseerde de fotokatalytische activiteit van de Au-BiFeO₃ nanokristallen door hun werkzaamheid te evalueren bij het afbreken van methyleenblauw (MB), een veel voorkomende denimkleurstof. MB is zeer oplosbaar in water en vormt een aanzienlijk risico voor het waterleven en de menselijke gezondheid. Dit maakt het ook de ideale verontreinigende stof om de werkzaamheid van fotokatalysatoren te testen.

Uit experimenten bleek dat het monster met 1,0% Au per gewicht de beste activiteit vertoonde en binnen 120 minuten een indrukwekkende afbraakefficiëntie van 98% bereikte onder een xenonlamp van 500 Watt. Bovendien behield het ook 80% van zijn oorspronkelijke activiteit na vier cycli van 120 minuten, wat een uitstekende stabiliteit aantoont. Bovendien was er een verwaarloosbaar effect van Au op de magnetische eigenschappen van BiFeO₃wat een uitstekende recycleerbaarheid suggereert.

De onderzoekers bestudeerden ook de mechanismen waarmee Au de fotokatalytische activiteit verbetert. Wanneer een Au-BiFeO₃ nanokristal wordt verlicht door licht op geschikte golflengten, elektronen in BiFeO₃ zijn enthousiast over de geleidingsband.

In tegenstelling tot de recombinatie die plaatsvindt in kale BiFeO₃de introductie van Au, dat een minder negatief fermi-niveau heeft dan de geleidingsband van BiFeO₃vergemakkelijkt de overdracht van aangeslagen elektronen van de geleidingsband naar het Au-domein, waardoor de accumulatie van gaten in BiFeO wordt bevorderd₃. Dit verbetert de fotokatalytische activiteit van BiFeO₃, waardoor het gemakkelijker de vorming van hydroxyradicalen in waterige oplossingen kan induceren. Deze hydroxylradicalen zijn zeer actief en vallen gemakkelijk MB-moleculen in de waterige oplossing aan, waardoor ze worden omgezet in onschadelijke producten.

“Deze bevindingen vergroten ons begrip van goud-halfgeleiderinteracties bij fotokatalyse en maken de weg vrij voor het ontwerp en de ontwikkeling van geavanceerde nanokristalmaterialen”, merkt Dr. Chang op. “Over het geheel genomen benadrukt onze studie de veelbelovende activiteit en recycleerbaarheid van Au-BiFeO₃wat het potentieel ervan op het gebied van efficiënte en duurzame afbraak van milieuverontreinigende stoffen onderstreept.”