Studio comparativo del TiO2

Aug 14, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12075 (2023) Citare questo articolo

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Questo studio si è concentrato su un confronto diretto tra il trattamento idrotermale convenzionale e quello a microonde durante la sintesi del fotocatalizzatore TiO2-Fe3O4, che è un catalizzatore efficace per la decomposizione del metronidazolo. Il fotocatalizzatore è stato sottoposto a varie analisi di caratterizzazione, tra cui diffrazione di raggi X, spettroscopia Raman, microscopia elettronica a trasmissione, raggi X a dispersione di energia e spettroscopia di riflettanza diffusa. L'analisi spettroscopica Raman ha rivelato che i materiali ottenuti attraverso il trattamento idrotermale convenzionale erano costituiti da fasi separate di anatasio e magnetite. D'altra parte, i materiali sintetizzati utilizzando il processo a microonde hanno mostrato un notevole spostamento della banda Eg (143 cm−1) e della sua metà larghezza verso numeri d'onda più alti. Questo spostamento è probabilmente dovuto all’introduzione di ioni Fe nel reticolo di TiO2. Inoltre, sia il percorso convenzionale di sintesi idrotermale che quello a microonde hanno prodotto sistemi TiO2–Fe3O4 con proprietà superparamagnetiche, come dimostrato dalle misurazioni magnetiche SQUID. L'analisi TEM ha rivelato che i materiali sintetizzati utilizzando il processo a microonde presentavano una maggiore omogeneità, senza osservare aggregati di grandi dimensioni. Infine, questo lavoro ha proposto un comodo fotoreattore LED che utilizzava efficacemente le proprietà foto-ossidative dei fotocatalizzatori TiO2–Fe3O4 per rimuovere il metronidazolo. La combinazione di catalizzatori fotoattivi TiO2–Fe3O4 con un reattore LED ad alta efficienza energetica ha prodotto un basso consumo di energia elettrica per ordine (EEO).

Nell’attuale situazione globale, è estremamente importante prendersi cura dell’ambiente naturale nel perseguimento della neutralità climatica. Questo obiettivo è al centro del Green Deal europeo1,2, che è stato accettato da tutti i paesi dell’Unione europea. Tuttavia, è anche fondamentale utilizzare sapientemente le risorse energetiche disponibili. Ora più che mai, il mondo è consapevole che cambiare la nostra strategia energetica consentirà di raggiungere la neutralità climatica e garantire la tranquillità nei mercati elettrici mondiali. Inoltre, i ricercatori sono costantemente chiamati a prendere in considerazione metodi più rispettosi dell'ambiente per la fabbricazione dei prodotti desiderati3. Tra i principi guida della chimica verde, il desiderio di utilizzare solventi più sicuri e la progettazione mirata all’efficienza energetica sono due principi chiave rilevanti per la scienza dei materiali4.

Il biossido di titanio è uno dei materiali in polvere più ampiamente studiati nella scienza dei materiali, con quasi 200.000 risultati nel database Scopus (data di accesso 10 maggio 2023). La sua popolarità è da attribuire alle sue eccellenti proprietà fotocatalitiche, che lo rendono adatto alla fotoossidazione degli inquinanti organici. Tuttavia, l’uso del biossido di titanio nel trattamento delle acque reflue industriali è limitato a causa di alcuni inconvenienti5,6. Una di queste limitazioni è la difficoltà nel separare il TiO2 dalla miscela post-processo. Un altro è l’elevato tasso di ricombinazione dei portatori di carica elettrone/lacuna, che riduce l’efficienza del processo nel tempo7. Ciò influisce sulle prestazioni complessive del processo e richiede investimenti significativi nella separazione delle sospensioni di TiO2 per recuperare il fotocatalizzatore per il riutilizzo nei processi successivi. Una possibile strategia per affrontare le sfide dei fotocatalizzatori al biossido di titanio è incorporare un componente in grado di migliorare la separazione del materiale dopo il processo8,9. La magnetite (Fe3O4), che è una miscela di due ossidi di ferro, ha proprietà ferromagnetiche a causa dei contributi magnetici sbilanciati degli elettroni FeII e FeIII10. La combinazione delle proprietà di entrambi gli ossidi consente la produzione di fotocatalizzatori magnetici da utilizzare nella fotodegradazione degli inquinanti organici. Ad esempio, Chu et al.11 hanno sintetizzato un sistema stabile nucleo-guscio TiO2@Fe3O4 basato sul carbonio, che ha mostrato capacità fotocatalitiche migliorate. Allo stesso modo, Guo et al.12 hanno sviluppato un materiale TiO2/Fe3O4/grafene con maggiore attività per la rimozione del blu di metilene. Tuttavia, la scelta di un metodo di sintesi appropriato che preservi sia la capacità fotoossidativa che le proprietà magnetiche del sistema finale rimane una sfida importante per i ricercatori13.