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Jul 23, 2023

Abordagem de engenharia bandgap para projetar heterojunção CuO/Mn3O4/CeO2 como um novo fotocatalisador para AOP

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 3009 (2023) Citar este artigo 1336 Acessos 3 Citações Métricas detalhes Um nanohíbrido ternário CuO/Mn3O4/CeO2 foi desenvolvido no presente trabalho usando um

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 3009 (2023) Citar este artigo

1336 Acessos

3 citações

Detalhes das métricas

Um nanohíbrido ternário CuO/Mn3O4/CeO2 foi desenvolvido no presente trabalho utilizando um método hidrotérmico assistido por co-precipitação. A estrutura, morfologia, composição elementar, estados eletrônicos dos elementos e propriedades ópticas do fotocatalisador projetado foram estudadas usando técnicas analíticas correspondentes. Os resultados de PXRD, TEM/HRTEM, XPS, EDAX e PL mostraram que a nanoestrutura desejada havia se formado. Usando o gráfico de intervalo de bandas de energia de Tauc, foi determinado que o intervalo de bandas das nanoestruturas era de ~ 2,44 eV, o que mostrou que as margens das bandas das várias porções, CeO2, Mn3O4 e CuO, haviam sido modificadas. Assim, condições redox melhoradas levaram a uma diminuição substancial na taxa de recombinação de pares elétron-buraco, o que foi explicado por um estudo de PL em que a separação de carga desempenha um papel fundamental. Sob exposição à irradiação de luz visível por 60 min, foi revelado que o fotocatalisador atingiu 98,98% de eficiência de fotodegradação para o corante verde malaquita (MG). O processo de fotodegradação ocorreu de acordo com um modelo cinético de reação de pseudo-primeira ordem com excelente taxa de reação de 0,07295 min-1 com R2 = 0,99144. Os impactos de diferentes variáveis ​​de reação, sais inorgânicos e matrizes de água foram investigados. Esta pesquisa busca criar um fotocatalisador nanohíbrido ternário com alta fotoestabilidade, atividade no espectro visível e capacidade de reutilização em até quatro ciclos.

Muitas profissões e indústrias utilizam corantes orgânicos, incluindo tecidos, folhas de plástico, couro, produtos médicos, de cuidados com a pele e de alimentação, para colorir os seus produtos e libertar os seus efluentes no ecossistema sem qualquer cuidado primário1,2. Esses coloridos poluentes orgânicos são perigosos para o ambiente aquático e para a saúde humana3,4,5. Esses corantes impedem a penetração da luz solar nos cursos de água, retardam o fenômeno fotossintético no ecossistema aquático e podem interagir com metais iônicos para formar complexos quelantes, os quais levam à toxicidade dos seres vivos6. O verde malaquita (MG), um corante catiônico, é usado em muitas indústrias como corante para artigos de couro, têxteis e lã e na indústria pesqueira como parasiticida (Fig. 1). No entanto, a MG é conhecida por ser uma toxina causadora de câncer e pode prejudicar gravemente a saúde humana, mesmo em concentrações menores (1 mg L-1)7,8,9,10. Iniciativas foram tomadas para manter a água livre desses corantes orgânicos prejudiciais, como o corante MG. Neste contexto, a produção de um fotocatalisador eficaz de tamanho nanométrico tem despertado muito interesse .

Estrutura química do corante verde malaquita (MG).

Em contraste com outras abordagens para o tratamento de águas residuais, como filtração, sedimentação, coagulação, adsorção, etc., a degradação fotocatalítica decompõe inteiramente os poluentes orgânicos. Não produz subprodutos tóxicos que tenham se mostrado resistentes a outras abordagens de tratamento de água13,14. Outros estudos no campo da fotocatálise resultaram no desenvolvimento de um novo método oxidativo, que é considerado o Processo de Oxidação Avançado (AOP). Essas técnicas visam decompor completamente poluentes orgânicos perigosos, como o verde malaquita, gerando espécies reativas de oxigênio15,16.

A eliminação de poluentes orgânicos recalcitrantes de corpos d'água tem sido realizada por meio de um tipo de POA denominado fotocatálise heterogênea . CeO2 é um semicondutor com mobilidade eletrônica eficiente, band gap de ~ 3,27 eV, excelente estabilidade eletroquímica e bom ponto isoelétrico de 9 para sistemas catalíticos . Apesar dos múltiplos benefícios, seu amplo gap limita sua aplicabilidade na irradiação da região da banda UV . Além disso, foi demonstrado que sua função como fotocatalisador é comprometida pela recombinação excessiva de elétrons-buracos . O ajuste fino do intervalo de bandas do CeO combinando diferentes semicondutores (óxidos metálicos) com intervalos de bandas mais baixos e bordas de banda direita seria necessário para manter uma separação substancial de pares elétron-buraco fotogerados . CeO2, em sua forma mais pura, possui um band gap de cerca de 3,2 eV de largura. Nanopartículas puras de CeO2 não conseguem capturar eficientemente a luz visível porque a irradiação recebida não possui a energia necessária para produzir portadores de carga .