Le besoin de solutions durables et respectueuses de l’environnement a accéléré la demande mondiale de technologies vertes et renouvelables. À cet égard, les photocatalyseurs semi-conducteurs sont apparus comme une solution intéressante, en raison de leur potentiel à atténuer les polluants et à exploiter efficacement l’énergie solaire. Les photocatalyseurs sont des matériaux qui déclenchent des réactions chimiques lorsqu'ils sont exposés à la lumière.
Malgré leurs progrès, les photocatalyseurs couramment utilisés souffrent d’une activité photocatalytique réduite et d’une plage de fonctionnement étroite dans le spectre de la lumière visible. De plus, ils sont difficiles à récupérer à partir de solutions à base d'eau, ce qui limite leurs applications dans les processus continus.
Ferrite de bismuth (BiFeO3 ), avec sa bande interdite étroite et ses propriétés magnétiques, constitue un photocatalyseur alternatif intéressant. La bande interdite étroite de BiFeO3 permet une utilisation efficace de la lumière dans la région visible pour exciter les électrons de la bande de valence vers la bande de conduction, laissant derrière eux des trous vides. Les électrons et les trous excités pourraient tous deux induire des réactions chimiques conduisant à la dégradation des polluants dans une solution aqueuse.
De plus, la propriété ferromagnétique permet une récupération facile du BiFeO3 de la solution. Cependant, à l'instar des photocatalyseurs courants, BiFeO3 souffre également d'une recombinaison rapide des paires électron-trou, limitant considérablement son activité photocatalytique.
Pour résoudre ce problème, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur agrégé Tso-Fu Mark Chang de l'Institut de recherche innovante de l'Institut de technologie de Tokyo, au Japon, a développé un nouveau BiFeO3 nanocristaux. Leur étude a été publiée en ligne dans la revue ACS Applied Nano Materials. le 5 avril.
Le Dr Chang explique :« L'incorporation de nanostructures Au dans BiFeO3 peut introduire des sites plus actifs pour les réactions de photodégradation, en raison de la résonance plasmonique de surface localisée unique des nanoparticules Au et du transfert des électrons excités dans le BiFeO3 au domaine de l'or supprime la recombinaison des paires électron-trou. Le BiFeO3 décoré au Au nouvellement développé les nanocristaux exploitent les caractéristiques synergiques des deux mécanismes. "
Les chercheurs ont fabriqué l'Au-BiFeO3 nanocristaux grâce à une méthode de synthèse hydrothermale et un processus de solution simple pour décorer BiFeO3 avec différentes quantités d'Au. L'équipe a optimisé l'activité photocatalytique de l'Au-BiFeO3 nanocristaux en évaluant leur efficacité à dégrader le bleu de méthylène (MB), un colorant courant pour le denim. Le MB est hautement soluble dans l’eau, ce qui présente un risque important pour la vie aquatique et la santé humaine. Cela en fait également le polluant idéal pour tester l'efficacité des photocatalyseurs.
Les expériences ont révélé que l'échantillon contenant 1,0 % d'Au en poids présentait la meilleure activité, atteignant une efficacité de dégradation impressionnante de 98 % sous une lampe au xénon de 500 watts en 120 minutes. De plus, il a également conservé 80 % de son activité initiale après quatre cycles de 120 minutes, démontrant une excellente stabilité. De plus, l'effet de l'Au sur les propriétés magnétiques de BiFeO3 était négligeable. , suggérant une excellente recyclabilité.
Les chercheurs ont également étudié les mécanismes par lesquels Au améliore l’activité photocatalytique. Lorsqu'un Au-BiFeO3 le nanocristal est éclairé par la lumière à des longueurs d'onde appropriées, des électrons dans BiFeO3 sont excités par la bande de conduction.
Contrairement à la recombinaison qui se produit dans le BiFeO3 nu , l'introduction de Au, qui a un niveau de fermi moins négatif que la bande de conduction de BiFeO3 , facilite le transfert des électrons excités de la bande de conduction vers le domaine Au, favorisant ainsi l'accumulation de trous dans BiFeO3 . Cela améliore l'activité photocatalytique de BiFeO3 , lui permettant d'induire plus facilement la génération de radicaux hydroxy dans les solutions aqueuses. Ces radicaux hydroxyles sont très actifs et attaquent facilement les molécules MB dans la solution aqueuse, les convertissant ainsi en produits inoffensifs.
"Ces résultats améliorent notre compréhension des interactions or-semi-conducteurs dans la photocatalyse et ouvrent la voie à la conception et au développement de matériaux nanocristaux avancés", remarque le Dr Chang. "Dans l'ensemble, notre étude met en évidence l'activité prometteuse et la recyclabilité de Au-BiFeO3 , soulignant son potentiel en matière de dégradation efficace et durable des polluants environnementaux."
Plus d'informations : Jhen-Yang Wu et al, Propriétés photocatalytiques accordables des nanostructures BiFeO3 décorées au Au pour la photodégradation des colorants, Nanomatériaux appliqués par ACS (2024). DOI :10.1021/acsanm.4c01702
Fourni par l'Institut de technologie de Tokyo
